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Dokumentenidentifikation DE19745216A1 12.05.1999
Titel Luftlager und Verfahren zum Einstellen eines Luftlagers
Anmelder Heinzl, Joachim, Prof. Dr., 81549 München, DE;
Schulz, Bernd, 85579 Neubiberg, DE
Erfinder Heinzl, Joachim, Prof. Dr., 81549 München, DE;
Schulz, Bernd, 85579 Neubiberg, DE;
Schmidt, Christian, 81737 München, DE
Vertreter HOFFMANN · EITLE, 81925 München
DE-Anmeldedatum 13.10.1997
DE-Aktenzeichen 19745216
Offenlegungstag 12.05.1999
Veröffentlichungstag im Patentblatt 12.05.1999
IPC-Hauptklasse F16C 32/06
IPC-Nebenklasse G01F 1/68   
Zusammenfassung Die vorliegende Erfindung betrifft ein Luftlager mit einem ortsfesten und einem beweglichen Lagerkörper und mindestens einer, sich zu einem zwischen den beiden Lagerkörpern ausgebildeten Lagerspalt öffnenden Zuleitung für unter Druck zugeführte Luft. Um ein gattungsbildendes Luftlager derart weiterzubilden, daß eine einfache Einstellung der Lagerspaltgeometrie und eine Bestimmung der auf das Lager wirkenden Kräfte möglich ist, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß die Zuleitung mit einer Zufuhrquelle für die zugeführte Luft verbunden ist und daß der Zuleitung ein Mittel zum Messen des Durchsatzes zugeordnet ist. Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Einstellen des Lagerspaltes in einem ortsfesten und einem beweglichen Lagerkörper mittels der Messung des Durchsatzes einzelner Zuleitungen.

Beschreibung[de]
Technisches Gebiet

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.

Stand der Technik

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.

Darstellung der Erfindung

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.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

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.

Ausführliche Beschreibung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung

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 34weist 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-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. 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.


Anspruch[de]
  1. 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.
  2. 2. Luftlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zuleitung außerdem ein Mittel (18) zum Einstellen des Durchsatzes zugeordnet ist.
  3. 3. Luftlager nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Mittel zum Messen des Durchsatzes ein thermisches Durchflußmeßgerät (18) ist.
  4. 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. 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. 6. Luftlager nach Anspruch 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstellvorrichtungen in den Flächenschwerpunkten der Flächenbereiche angeordnet sind.
  7. 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. 8. Luftgelagerter Schlitten, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Luftlager nach einem der Ansprüche 1-7 vorgesehen ist.
  9. 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. 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. 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. 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. 13. Verwendung eines Luftlagers nach einem der Ansprüche 1 bis 7 zur Bestimmung der auf das Lager wirkenden Kräfte.






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