DE3933698A1 - Aerostatisches lager mit einer einstellbaren stabilisierungseinrichtung - Google Patents
Aerostatisches lager mit einer einstellbaren stabilisierungseinrichtungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein aerostatisches Lager mit
einer einstellbaren Stabilisierungseinrichtung nach dem
Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Da ein aerostatisches Lager ein kontaktloses Lager ist,
das eine höhere lineare Genauigkeit aufweist und bei dem
keine Vibrationen auftreten, wie sie gewöhnlich durch
rauhe Oberflächen bei Kontaktlagern verursacht werden,
wird ein derartiges Lager in großem Maße bei verschiede
nen Arten von Präzisionsmaschinen und Prüfinstrumenten
angewendet. Da jedoch bei dem aerostatischen Lager
komprimierte Luft als Fluid-Schmiermittel verwendet
wird, ist ein solches Lager im Hinblick auf die Entste
hung eines sogenannten "Preßlufthammer"-Phänomens emp
findlich. Aus diesem Grunde besteht ein Problem darin,
bei aerostatischen Lagern diese "Preßlufthammer"-Wirkung
zu überwinden. Außerdem stellen die Steifigkeit bzw. die
Härte und die Tragfähigkeit von aerostatischen Lagern
wichtige Merkmale dar, die während des Entwurfs betrach
tet werden müssen, weil diese Merkmale die Funktion
einer Maschine bestimmen, von der eine hohen Präzision
verlangt wird.
Bei dem herkömmlichen aerostatischen Lagern werden die
Steifigkeit bzw. die Härte und die Tragfähigkeit des
Lagers üblicherweise dadurch vergrößert, daß der Luft
druck erhöht wird oder daß die Größe der Lagertasche
vergrößert wird. Ein Nachteil besteht jedoch darin, daß
die Erhöhung des Luftdruckes oder die Vergrößerung der
Lagertasche zu dem "Preßlufthammer"-Phänomen führt.
Die Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, eine
höhere Tragfähigkeit und eine größere Festigkeit bzw.
Härte bei gleichzeitiger Beseitigung des "Preßlufthammer"-
Phänomens zu erreichen.
Diese Aufgabe wird durch ein aerostatisches Lager der
eingangs genannten Art gelöst, das durch die in dem
kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 angeführten
Merkmale gekennzeichnet ist.
Vorteilhafterweise wird durch die Erfindung eine neue
aerostatische Lagerstruktur geschaffen, bei der kein
"Preßlufthammer"-Phänomen auftritt. Ein weiterer Vorteil
besteht darin, daß das erfindungsgemäße Lager bei seiner
Anwendung in einer Maschine zu einem stabileren Be
trieb, einer höheren Präzision, einer größeren Tragfä
higkeit und einer größeren Steifigkeit bzw. Härte führt.
Bei der Erfindung werden die neuen radialen Nuten ver
wendet, um die groß bemessene Lagertasche zu ersetzen,
die bei einer herkömmlichen Luftlagerstruktur vorgesehen
ist. Dadurch wird das Volumen der Tasche so klein wie
möglich gehalten und wird das "Lufthammer-Phänomen"
vermieden, ohne daß die hohe Tragfähigkeit und die große
Steifheit bzw. Härte des herkömmlichen Lagers verringert
werden. Außerdem ist ein Abstandsteil beweglich in dem
Eingangsdurchgang des Lagers befestigt, das zur Einstel
lung des Luftvolumens in dem Lager dient, so daß dadurch
die dynamischen Charakteristiken des Lagers verbessert
werden. Das Abstandsteil ist mit einem Nadelventil zur
Regulierung der Luftströmung in dem Lager versehen,
wodurch die Stabilität des Luftlagers genauer gesteuert
werden kann.
Im folgenden werden die Erfindung und deren Ausgestal
tungen im Zusammenhang mit den Figuren näher erläutert.
Es zeigt:
Fig. 1 eine Vorderansicht einer ersten
Ausführungsform des erfindungsgemäßen Lagers;
Fig. 2 einen Schnitt entlang der Linie 2-2 der Fig.
1;
Fig. 3 einen Schnitt zur Erläuterung der Funktion
der ersten Ausführungsform;
Fig. 4 zum Vergleich Druckverteilungskurven, wie sie
bei der vorliegenden Erfindung und beim Stand
der Technik vorliegen;
Fig. 5 eine Vorderansicht einer zweiten
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 6 einen Schnitt einer dritten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
Fig. 7 einen Schnitt zur Erläuterung der Funktion
der dritten Ausführungsform;
Fig. 8 eine Vorderansicht einer vierten
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 9 einen Schnitt entlang der Linie 9-9 der Fig.
8;
Fig. 10 einen Schnitt entlang der Linie 10-10 der
Fig. 9; und
Fig. 11 eine systematische Darstellung eines
herkömmlichen aerostatischen Lagers.
Die Fig. 11 zeigt ein herkömmliches aerostatisches
Lagersystem, bei dem der Lagerkörper B 1 eine Lagerebene
B 2 mit einer Lagertasche B 3 aufweist. In der Mitte der
Tasche B 3 befindet sich eine Öffnung B 4, die mit dem
Eingangsdurchgang B 5 im Lagerkörper B 1 in Verbindung
steht. Die Luft kann von einer Luftquelle S zu einer
Tasche B 3 über einen Trockner D, ein Filter F, den
Eingangsdurchgang B 5 und die Öffnung B 4 strömen. Die
Luft erzeugt zur Bildung eines Lagers einen Druck im
Spalt C zwischen der Ebene B 2 und der Lageroberfläche X.
Wenn eine höhere Tragfähigkeit und eine größere Steif
heit bzw. Härte gefordert werden, muß das Volumen der
Tasche B 3 oder der Luftdruck vergrößert werden. Diese
Schritte der Vergrößerung der Tasche und des Luftdruckes
würden jedoch zu einem größeren "Preßlufthammer" bzw.
"Lufthammer"-Phänomen führen, das die Präzision und die
brauchbare Lebensdauer des Lagers oder sogar die Zuver
lässigkeit einer ganzen Maschine verringern würde.
Fig. 1 zeigt eine Vorderansicht einer ersten Ausfüh
rungsform der vorliegenden Erfindung, die eine verbes
serte Struktur im Hinblick auf die Nachteile eines
herkömmlichen aerostatischen Lagers bzw. Luftlagers
betrifft. In der Lagerfläche 2 des Lagerkörpers 1
befindet sich eine Tasche 3 mit einer Öffnung 4 und
einer Mehrzahl von radialen Nuten 5, die um den Umfang
der Tasche 3 herum angeordnet sind, um den Funktionsbe
reich bzw. die Funktionsfläche der Tasche 3 zu vergrö
ßern. An den äußeren Enden der radialen Nuten 5 ist eine
ringförmige Nut 6 vorgesehen.
Die Fig. 2 zeigt einen Schnitt durch die erste Ausfüh
rungsform des Lagers. Der Lagerkörper 1 ist mit einem
Lufteingang 11 und einem Durchgang 12 zur Öffnung 4
versehen. Ein Abstandsteil 8 ist in dem Durchgang 12
verschraubbar und einstellbar montiert. Das Ringteil 8
weist eine Öffnung 81 zur Bildung eines Zuganges zum
Raum zwischen dem Abstandsteil 8 und der Öffnung 4 auf.
Die Öffnung 4 verbindet den Hohlraum 7 mit der Tasche 3.
Wie dies in der Fig. 3 dargestellt ist, strömt die in
den Ansaugdurchgang 12 eingetretene Luft A durch die
Öffnung 81 des Abstandsteiles 8, um in den Hohlraum 7
einzutreten, der zu einer stoßdämpfenden Funktion führt.
Nachdem die Luft durch die Öffnung 4 hindurchgetreten
ist, wird der Luftdruck gleichmäßig in der Tasche 3, den
radialen Nuten 5 und der ringförmigen Nut 6 ausgebrei
tet, um einen Druckfilm bzw. eine Druckschicht derart zu
bilden, daß der Lagerkörper 1 die Last L trägt, die über
der Lagerfläche X floatiert. Dies bedeutet, daß eine
aerostatische Lagereinrichtung ohne einen tatsächlichen
Kontakt entsteht. Die zentrale Tasche 3 weist bei der
vorliegenden Erfindung ein kleineresVolumen auf als bei
dem herkömmlichen Luftlager. Die gesamte Lagerfläche der
vorliegenden Erfindung, die die Tasche 3, die radialen
Nuten 5 und die ringförmige Nut 6 umfaßt, ist jedoch
beinahe gleich groß, wie diejenige des herkömmlichen
Luftlagers. Da das Volumen der gesamten Tasche verrin
gert wurde, kann das "Preßlufthammer"- bzw. "Luft
hammer"-Phänomen beseitigt werden und die nutzbare
Lebensdauer, die Präzision und die Zuverlässigkeit des
Lagers und der Maschine desselben werden vergrößert. Da
die Position des Abstandsteiles 8 in dem Eingangsdurch
gang 12 einstellbar ist, ist auch das Volumen des
Hohlraumes 7 einstellbar. Mit der Hilfe des Abstands
teiles 8 und der Öffnung 81 desselben bewirkt der
Hohlraum 7 eine Luftspeicherfunktion, eine Druckstabili
sierungsfunktion und eine stoßdämpfende Funktion.
Außerdem führt er zu einer weiteren Stabilisierungsfunk
tion, was durch wiederholte Tests bewiesen wurde.
Die Fig. 4 zeigt Druckverteilungskurven zum Vergleich
zwischen dem erfindungsgemäßen Lager und dem herkömmli
chen Luftlager, wobei diese Lager dieselben Größen und
denselben Luftdruck aufweisen. Die erfindungsgemäße
Druckverteilungskurve M sieht ähnlich aus, wie die Kurve
N des herkömmlichen Luftlagers, wenn man davon absieht,
daß der Druck in der ringförmigen Nut geringfügig klei
ner ist. Da die Nuten der vorliegenden Erfindung vorge
sehen werden, um einen Bereich der Tasche des herkömmli
chen Luftlagers zu ersetzen, wird das "Preßlufthammer"-
Phänomen beträchtlich verringert. Außerdem wird durch
die auf das Ring- bzw. Abstandsteil 8 und den Hohlraum 7
zurückzuführende Stabilisierungswirkung das "Preßluft
hammer"-Phänomen beseitigt, ohne daß auf die Tragfähig
keit und die Steifigkeit bzw. Härte des aerostatischen
Lagers verzichtet wird.
Die Fig. 5 zeigt eine Vorderansicht einer zweiten Aus
führungsform des erfindungsgemäßen Lagers, bei dem der
Lagerkörper, die Tasche und die Nuten nicht auf eine
runde Form begrenzt sind. Anders ausgedrückt können
diese Teile eine rechteckige oder quadratische Form oder
andere geeignete Formen aufweisen. Mit anderen Worten
können die Formen des Lagerkörpers 21, der Tasche 22 der
Radialnuten 23 und der ringförmigen Nut 24 gemäß den
tatsächlichen Anforderungen geändert werden.
Fig. 6 zeigt einen Schnitt einer dritten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, wobei diese Ausführungsform
eine weitere Verbesserung der Öffnung des Abstandsteiles
im Vergleich zu den vorhergehenden Ausführungsformen
betrifft, so daß das Strömungsvolumen der Luft noch
genauer reguliert werden kann. Da der Aufbau der Tasche
und der Nuten bei der dritten Ausführungsform derselbe
ist wie bei der ersten oder zweiten Ausführungsform,
werden diese Einzelheiten nicht näher erläutert. An dem
dem Eingangsdurchgang 32 gegenüberliegenden Ende
befindet sich ein Durchgangsloch 33 im Lagerkörper 31,
das mit dem Hohlraum 37 in Verbindung steht. Ein Stöpsel
bzw. Zapfen 39 ist in dem Durchgangsloch 33 mit der
Hilfe von Gewinden derart befestigt, daß er in axialer
Richtung einstellbar ist, so daß das Volumen des
Hohlraumes 37 einstellbar ist. Der Stöpsel 39 ist mit
einem einstellbaren Nadelventil 30 versehen, wobei das
konische Ende des Nadelventiles 30 in die Öffnung 381
des Ring- bzw. Abstandsteiles 38 eingesetzt oder aus
dieser Öffnung 381 herausbewegt werden kann, um die
Querschnittsfläche der Öffnung 381 zu verändern.
Die Fig. 7 zeigt die Funktion der dritten Ausführungs
form. Das Ringteil 38 wird zuerst zu einer vorgegebenen
Position eingestellt. Das Nadelventil 30 wird in eine
Position gebracht, in der es von dem Ringteil 38 ge
trennt ist. Dann tritt die Luft A in den Durchgang 32,
um durch die Öffnung 381 des Ringteiles 38 zu strömen
und in den Hohlraum 37 einzutreten. Dann kann die
Bedienungsperson den Stöpsel 39 einstellen, um das
Volumen des Hohlraumes 37 zu verändern, bis das Lager
auf einen stabilien Zustand eingestellt ist. Das Nadel
ventil 30 wird dann eingestellt, um den Luftstrom zu
variieren, um so die Stabilität des Luftlagers genauer
zu steuern. Schließlich kann das Durchgangsloch 371 mit
einer Kappe bzw. einem Deckel 9 verschlossen werden.
Die Fig. 8 zeigt eine Vorderansicht einer vierten Aus
führungsform der vorliegenden Erfindung. Die Fig. 9
zeigt einen Schnitt durch die Anordnung der Fig. 8
entlang der Linie 9-9. Die Fig. 10 zeigt einen Schnitt
entlang der Linie 10-10 der Fig. 9. Die Vorderseite der
vierten Ausführungsform weist dieselbe Struktur, nämlich
die Tasche 42, die radialen Nuten 43 und die ring
förmige Nut 44 auf, wie bei der ersten oder zweiten
Ausführungsform. Der Lagerkörper 41 weist einen Ein
gangsdurchgang 45 auf, in dem ein einstellbares Ab
standsteil 46 montiert ist. Das Abstandsteil 46 weist
ein Gewindeloch 461 zur Aufnahme eines Schraubenbolzens
47 auf, durch den das Abstandsteil 46 zur Bewegung
angetrieben werden kann. Ein Ende des Schraubenbolzens
47 ist drehbar in einem Loch eines Deckelteiles 49
befestigt, wobei jedoch eine begrenzte axiale Bewegung
dazwischen durch Halteringe 491 und 492 möglich ist. Das
Deckelteil 49 ist fest am Lagerkörper 41 mit der Hilfe
von Schrauben 490 befestigt. Als Ergebnis kann der
Schraubenbolzen 47 das Abstandsteil 46 so antreiben, daß
es sich zurück oder vorwärts bewegt, um das Volumen des
Hohlraumes 450 zwischen den Öffnungen 421 und 463 der
Tasche 42 und dem Abstandsteil 8 zu verändern. Das
Deckelteil 49 weist ein weiteres Durchgangsloch zur
Befestigung eines drehbaren Stabes 48 auf, der in der
richtigen Lage festgehalten wird und der durch Halterin
ge 493 und 494 daran gehindert wird, sich in axialer
Richtung zu bewegen. Ein Ende des Stabes 48 ist im
Durchgang 45 mit einem Nadelventil 481 verbunden, das
axial gleiten kann, aber sich in Bezug auf den Stab 48
nicht drehen kann. Dies kann durch einen Stab 48 er
reicht werden, der ein rechteckiges Loch zur Aufnahme
eines rechteckförmigen Stiftes des Nadelventiles 481
aufweist. Ein Ende des Nadelventiles 481 ist mit Gewin
den versehen und in ein weiteres Gewindeloch 462 des
Abstandsteiles 46 eingesetzt. Wenn das Nadelventil
gedreht wird, kann das konische Ende des Nadelventiles
481 näher zu einer Öffnung 463 im Abstandsteil 46 bewegt
werden oder von dieser Öffnung 463 weg bewegt werden, um
die Luftströmung zu regulieren. Das Gewindeloch 462 im
Abstandsteil 46 und die Öffnung 463 sind koaxial zu
einem zwischen ihnen liegenden Raum angeordnet, so daß
ein Hohlraum 464 zur Aufnahme des konischen Endes des
Nadelventiles 481 gebildet wird. An einer Seite des
Gewindeloches 462 befindet sich der Eingangsdurchgang
465, (siehe Fig. 10) der in Verbindung mit dem Hohlraum
464 steht. Das Deckelteil 49 weist eine weitere Ein
gangsöffnung 465 auf, die mit dem Durchgang 45 in
Verbindung steht, so daß Luft in den Hohlraum 450 über
die Eingangsöffnung 495, die Durchgänge 45 und 465 und
die Öffnung 463 fließen kann. Schließlich strömt die
Luft durch die Öffnung 421 zur Tasche 42 und den Nuten
43 und 44, um eine Lagerfunktion zu erfüllen. O-Ringe
sind zwischen dem Abstandsteil 46 und dem Durchgang 45
und auch zwischen dem Schraubenbolzen 47, dem einstell
baren Stab 48 und dem Deckelteil 49 jeweils befestigt,
um Dichtungsteile zu bilden, die ein Entweichen von Luft
verhindern.
Beim Betrieb kann das Volumen des Hohlraumes 450 dadurch
eingestellt werden, daß die Position des Abstandsteiles
46 durch Verdrehen des Schraubenbolzens 47 verschoben
bzw. bewegt wird. Gleichzeitig kann das Nadelventil 481
frei in dem Stab 48 gleiten, ohne daß die Relativposi
tion zwischen dem Nadelventil 481 und der Öffnung 463
beeinträchtigt wird. Wenn es nach der Einstellung des
Volumens des Hohlraumes noch einen geringfügig unstabi
len Zustand gibt, kann der Stab 48 gedreht werden, um
das Nadelventil 481 zur Einstellung der Strömung durch
die Öffnung 463 zu bewegen.
Die Erfindung betrifft ein aerostatisches Lager mit
einer einstellbaren Stabilisierungseinrichtung, das im
Zusammenhang mit einer linearen Gleit- bzw. Laufschiene
eines Präzisionsprüfinstrumentes oder einer Präzisions
werkzeugmaschine usw. anwendbar ist. Das Lager umfaßt
einen Lagerkörper mit einer runden oder anders geformten
Ebene. Die Ebene weist eine Tasche, eine Mehrzahl von
radialen Nuten und eine ringförmige Nut auf, die
miteinander in Verbindung stehen. Der Außenrand des
Lagerkörpers weist einen Lufteingang auf, der über
einen Eingangsdurchgang verlängert ist und mit einem
Bereich in der Nähe der Tasche in Verbindung steht. Der
Eingangsdurchgang steht mit der Tasche über eine erste
Öffnung in Verbindung. Ein Abstandsteil mit einer zwei
ten Öffnung ist bewegbar in dem Eingangsdurchgang ange
ordnet, so daß zwischen den beiden Öffnungen ein Hohl
raum gebildet wird. Wenn die Position des Abstandsteiles
verändert wird, wird das Volumen des Hohlraumes zur
Einstellung des Lagers auf einen stabilien Zustand
variiert. Außerdem ist die zweite Öffnung so beschaffen,
daß sie durch ein Nadelventil derart beaufschlagt werden
kann, daß die Volumengeschwindigkeit der durch die
zweite Öffnung strömenden Eingangsluft zur Erzielung des
besten Ergebnisses eingestellt werden kann.
Claims (4)
1. Aerostataisches Lager mit einer einstellbaren
Stabilisierungseinrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß
ein Lagerkörper (1; 21; 31; 41) eine Ebene (2) aufweist,
in der eine Tasche (3; 22; 42) und eine erste Öffnung
(4; 421) vorgesehen sind, die in Verbindung mit einem
Eingangsdurchgang (12, 32; 45) steht, der in dem Lager
körper (1, 21; 31; 41) vorgesehen ist, daß ein bewegba
res Abstandsteil (8; 38; 46), das eine zweite Öffnung
(81; 381; 463) aufweist innerhalb des Eingangsdurchgan
ges (12; 32; 45) angeordnet ist, so daß in dem Eingangs
durchgang (12; 32; 45) zwischen der ersten Öffnung (4)
und der zweiten Öffnung (81; 381; 463) ein Hohlraum (7;
37; 450) zur Regulierung der Einströmgeschwindigkeit und
des Luftvolumens gebildet ist, und daß die Ebene (2)
eine ringförmige Nut (6; 24; 44), die um die Tatsche (3;
22; 42) herum verläuft und eine Mehrzahl von radialen
Nuten (5; 23; 43) aufweist, die die Tasche (3; 22; 42)
mit der ringförmigen Nut (6; 24: 44) verbindet, um die
Arbeitsfläche der Tasche (3; 22; 42) zu vergrößern und
das Gesamtvolumen der Tasche (3; 22; 42) zu verkleinern.
2. Lager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich
net, daß in der zweiten Öffnung (381; 463) ein Nadelven
til (30, 481) zur Veränderung der Querschnittsfläche der
zweiten Öffnung befestigt ist.
3. Lager nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich
net, daß das Nadelventil (30) an der dem Eingangsdurch
gang (32) gegenüberliegenden Seite angeordnet ist, und
daß Gewindeeinrichtungen (39) zur Bewegung des Nadella
gers (30) vorgesehen sind, um die Position desselben in
Bezug auf die zweite Öffnung (381) einzustellen.
4. Lager nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich
net, daß das Nadelventil (481) an derselben Seite wie
der Eingangsdurchgang (45) angeordnet ist und in das
Abstandsteil (46) unter Verwendung einer Gewindeeinrich
tung (462) zur Einstellung der Position des Nadelven
tiles (481) in Bezug auf die zweite Öffnung (463)
eingesetzt ist, daß ein Deckelteil (49) mit einer Ein
gangsöffnung am Öffnungsbereich des Eingangsdurchganges
(45) befestigt ist, der mit der Eingangsöffnung in
Verbindung steht, daß im Deckelteil (49) ein Schrauben
bolzen (47) und ein Stab befestigt sind, die in dem
Deckelteil (49) drehbar aber nicht axial beweglich sind,
daß der Schraubenbolzen (47) und das Abstandsteil (46)
zur Bewegung des Abstandsteiles (46) in Vorwärts- und
Rückwärtsrichtung durch ein Gewindeteil (45) miteinander
verbunden sind, daß bei einer Drehung des Schraubenbol
zen (47) der einstellbare Stab und das Nadelventil (481)
zusammen in axiale Richtung gleiten und verdreht werden,
so daß die Bewegung des Abstandssteiles (46) nicht die
relative Position zwischen dem Nadelventil (481) und der
zweiten Öffnung (463) beeinträchtigt und daß diese
relative Position nur bei einer Drehung des Stabes
verändert wird.
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