DE102004020752A1

DE102004020752A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Vermessung eines Lagersystems

Info

Publication number: DE102004020752A1
Application number: DE102004020752A
Authority: DE
Inventors: Rudolf Neumann
Original assignee: Minebea Co Ltd
Current assignee: Minebea Co Ltd
Priority date: 2004-04-27
Filing date: 2004-04-27
Publication date: 2005-11-17
Also published as: US20050274190A1; JP2005315878A; US7258013B2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Vermessung eines fluiddynamischen Lagersystems, insbesondere des Innendurchmessers der Lagerbohrung einer Lagerbuchse oder des Außendurchmessers einer Welle, mittels eines Sensorelements. DOLLAR A Erfindungsgemäß wird beispielsweise zur Ermittlung des Innendurchmessers der Lagerbohrung ein kapazitiv wirkendes Sensorelement verwendet, das als Teil der Oberfläche einer für die Messung präparierten Welle ausgebildet ist. Entsprechend ist das Sensorelement zur Ermittlung des Außendurchmessers der Welle als Teil der Oberfläche der Lagerbohrung einer für die Messung präparierten Lagerbuchse ausgebildet. Es sind Mittel zum Einbringen eines Messfluids, vorzugsweise Druckluft, in den zwischen Lagerhülse und Welle verbleibenden Lagerspalt vorgesehen, so dass sich die Welle während des Messvorgangs innerhalb der Lagerbohrung automatisch ausrichtet und zentriert.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Vermessung eines fluid-dynamischen Lagersystems, insbesondere der Oberflächentopologie der Lagerbohrung bzw. der Welle und zur Messung von Lagerbohrungs- und Wellendurchmesser in einem solchen Lagersystem, gemäß dem Oberbegriff der unabhängigen Patentansprüche.
Stand der Technik
Um ein Lagersystem und insbesondere den Innendurchmesser der Lagerbuchse eines fluid-dynamischen Lagers (fluid dynamic bearing, FDB) bezüglich der Maßhaltigkeit der Bohrung zu messen, wird etwa gemäß der JP 06137997 A mittels einer in die Lagerbuchse (sleeve) eingeführten Messwelle („air gauge") der Druckabfall des entstehenden Luftlagers gemessen. Als Messfluid wird Luft verwendet. Der Druckabfall als Messgröße ist dabei ein Maß für die Größe des Lagerspaltes. Um die Mess-Auflösung zu erhöhen werden in der JP 06137997 A bereits in axialer Richtung drei aufeinander folgende Stellen der Welle vorgesehen, an denen die Druckluft radial austritt. Weiterhin können Welle und Lagerbuchse während der Messung relativ zueinander in Rotation versetzt werden.
Ein wesentlicher Nachteil dieser Art der Messung ist die geringe Aussagefähigkeit über die genaue Form des zu messenden Innendurchmessers des Lagers. So können etwa lokale Maßabweichungen nicht ermittelt werden, da die Messung quasi integrativ wirkt. Ein Vorteil dieser Mess-Methode ist die vergleichsweise geringe Zeitdauer, welche die Messung in Anspruch nimmt.
Eine alternative nicht-berührungslose Methode zur Messung des Innendurchmessers einer Lagerbuchse ist die Verwendung eines mechanischen Messtasters. Eine solche Messvorrichtung weist zum Beispiel eine dünne Nadel auf, an deren Ende in der Regel eine Saphirkugel positioniert ist. Diese muss sehr klein sein, um noch in Bohrungen von etwa 2-3 mm oder weniger eingeführt werden zu können. Diese Art der Messung ist zwar vergleichsweise genau mit Messgenauigkeiten im Mikrometer-Bereich, jedoch erstens langwierig und zweitens kann durch die berührende Messung die Innenseite der zu messenden Bohrung verkratzt werden. Weiterhin müssen das Lager und das Messmittel in diesem Falle aufwändig zueinander positioniert werden und Positionierungs-Abweichungen führen zu Messfehlern, etwa indem der Innenumfang der Lager-Bohrung nicht axial sondern entlang einer Spiralbahn gemessen wird.
Außerdem sind für die Vermessung von Bohrungen optische Sensoren bekannt, die nach dem Triangulationsprinzip arbeiten. Ein großer Nachteil dieser Verfahren ist, dass die Bohrungswand reflektierend sein muss, um ein Messergebnis zu bekommen.
Wie bei allen bekannten Messverfahren besteht auch hier das Problem, dass eine Dezentrierung des Sensorkörpers in der Bohrung zu Messfehlern führt.
Gegenstand der Erfindung
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Vermessung eines fluid-dynamischen Lagersystems, insbesondere der Oberflächentopologie der Lagerbohrung bzw. der Welle, insbesondere zur Messung von Lagerbohrungs- und Wellendurchmesser in einem Lagersystem, anzugeben, bei dem Messfehler hervorgerufen durch eine Dezentrierung des Messsensors weitgehend vermieden werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung gemäß den Ansprüchen 1 und 2 und ein Verfahren gemäß dem Anspruch 8 gelöst.
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Die Erfindung beruht darauf, dass eine speziell präparierte Messwelle als Luftlagerung verwendet wird, welche zur Positionierung eines darin integrierten kapazitiven Sensors verwendet wird. Durch die Verwendung von Druckluft als Messfluid richtet sich die Messwelle innerhalb der Lagerbuchse quasi von selbst aus. Ferner kann etwa eine einzelne Messfläche („capacity probe area") des kapazitiven Sensors vorgesehen werden und das FDB und die Messwelle können während der Messung relativ zueinander bewegt werden, etwa durch Rotation der Messwelle oder der Lagerbuchse sowie durch eine Veränderung der axialen Positionierung der Messwelle innerhalb der Lagerbuchse. Alternativ kann ein Array von kapazitiven Messflächen an der Oberfläche der Messwelle vorgesehen werden. Dieses Array kann elektronisch ausgelesen werden und die Messwerte der einzelnen kapazitiven Sensoren können rechnerisch weiterverarbeitet werden.
Alternativ zur obigen Messaufgabe ist es in äquivalenter Form möglich, den Außendurchmesser einer Welle zu vermessen, indem eine mit einem oder mehreren kapazitiven Sensor(en) versehene und mit Druckluft beaufschlagte Lagerbuchse um die zu messende Welle positioniert wird.
Die Druckluft wird dem Lagerspalt durch Luftführungskanäle zugeführt, die innerhalb der Welle oder der Lagerbuchse verlaufen und von einer Druckluftquelle gespeist werden.
Aufgrund der durch die Erfindung erreichbaren Genauigkeit der Ausrichtung der Welle in Bezug auf die Lagerhülse und die Messgenauigkeit von kapazitiven Sensorelementen ist es ohne weiteres möglich, nicht nur den Außendurchmesser bzw. Innendurchmesser einer Welle bzw. einer Lagerbohrung zu messen, sondern auch die Oberflächentopologie der Lagerbohrung bzw. der Welle abzutasten.
Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung
Ein einfaches Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungsfigur erläutert.
1 zeigt einen Längsschnitt durch ein zu vermessendes fluid-dynamisches Lager.
Das Lager umfasst eine Lagerbuchse 1 mit einer konzentrischen Lagerbohrung. Im gezeigten Beispiel soll der Innendurchmesser der Lagerbohrung vermessen werden. Die Lagerbohrung nimmt in bekannter Weise eine Welle 2 auf, deren Durchmesser geringfügig kleiner ist als der Innendurchmesser der Lagerbohrung. Somit verbleibt zwischen Lagerbuchse 1 und Welle 2 ein Lagerspalt 3, in welchem sich ein Fluid, z.B. Luft, befindet. Setzt man das Fluid im Lagerspalt 3 unter Druck, so wird das Lager tragfähig.
Erfindungsgemäß ist die Welle 2 nun speziell als Messwelle präpariert und wird für die Messung in die Lagerbohrung eingebracht. Die Messwelle 2 umfasst am Außenumfang ein kapazitives Sensorelement 4 in Form einer kreisförmigen Messfläche. Die Messfläche 4 besteht aus einem leitenden Material und bildet mit der leitenden Bohrungswand der Lagerbuchse 1 einen Kondensator, dessen Kapazität von einem an die Messfläche 4 angeschlossenen Messgerät 5 ausgemessen wird. Die gemessene Kapazität ist abhängig von dem Abstand zwischen der Messfläche 4 und der inneren Oberfläche der Lagerbohrung. Daraus kann dann der Durchmesser der Lagerbohrung bestimmt werden.
Für die Messung ist es wichtig, dass das Sensorelement 4 innerhalb der Lagerbohrung ausgerichtet und zentriert wird. Da das Sensorelement 4 in der Welle 2 integriert ist, kann die Ausrichtung erfindungsgemäß durch Zentrieren der Welle 2 innerhalb der Lagerbohrung erreicht werden. Die Welle 2 wird innerhalb der Lagerbohrung zentriert, indem während der Messung Druckluft in den Lagerspalt 3 eingeblasen wird. Die Druckluft beziehungsweise der Druck verteilt sich gleichmäßig im Lagerspalt 3, wodurch sich die Welle 2 sehr genau innerhalb der Lagerbuchse 1 ausrichtet.
Zum Einbringen der Druckluft in den Lagerspalt 3 ist zum Beispiel in der Welle 2 ein Luftführungskanal 6 vorgesehen, der an einem axialen Ende der Welle 2 beginnt und etwa auf halber axialer Länge des Lagers in den Lagerspalt 3 mündet. Mittels einer Druckluftquelle 8 wird die Druckluft dem Einlass 7 des Luftführungskanals 6 zugeführt und in den Lagerspalt geblasen.
Mit diesem Verfahren können nicht nur Durchmesser vermessen werden, sondern auch Oberflächentopologien der vermessenen Lagerbestandteile erstellt werden.

1: Lagerbuchse
2: Welle
3: Lagerspalt
4: Sensorelement (Messfläche)
5: Messgerät
6: Luftführungskanal
7: Einlass
8: Druckluftquelle

Claims

Vorrichtung zur Vermessung eines fluid-dynamischen Lagersystems, insbesondere des Innendurchmessers der Lagerbohrung einer Lagerbuchse (1), mittels eines Messelements (4), dadurch gekennzeichnet, dass das Messelement (4) ein kapazitiv messendes Sensorelement ist, das als Teil der Oberfläche einer für die Messung präparierten Welle (2) ausgebildet ist, und Mittel zum Einbringen eines Fluids in den zwischen Lagerbuchse (1) und Welle (2) verbleibenden Lagerspalt (3) vorgesehen sind, so dass sich die Welle (2) während des Messvorgangs innerhalb der Lagerbohrung automatisch ausrichtet und zentriert.
Vorrichtung zur Vermessung eines fluid-dynamischen Lagersystems, insbesondere des Außendurchmessers einer Welle (2), mittels eines Messelements (4), dadurch gekennzeichnet, dass das Messelement (4) ein kapazitiv messendes Sensorelement ist, das als Teil der Oberfläche der Lagerbohrung einer für die Messung präparierten Lagerbuchse (1) ausgebildet ist, und Mittel zum Einbringen eines Fluids in den zwischen Lagerbuchse (1) und Welle (2) verbleibenden Lagerspalt (3) vorgesehen sind, so dass sich die Welle während des Messvorgangs (2) innerhalb der Lagerbohrung automatisch ausrichtet und zentriert.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das in den Lagerspalt (3) eingebrachte Fluid Druckluft ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in axialer Richtung und / oder entlang des Umfanges der Welle (2) oder der Lagerbohrung (1) mehrere Sensorelemente (4) verteilt angeordnet sind, so dass das Lagersystem an mehreren axialen Positionen gleichzeitig vermessen werden kann.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel vorgesehen sind, welche Welle (2) und Lagerbuchse (1) zumindest während der Messung relativ zueinander in Rotation versetzen.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb der Welle (2) Luftführungskanäle (6) verlaufen, die in eine oder mehrere Öffnungen am Umfang der Welle münden.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb der Lagerbuchse (1) Luftführungskanäle verlaufen, die in eine oder mehrere Öffnungen am Innenumfang der Lagerbohrung münden.
Verfahren zur Vermessung eines fluid-dynamischen Lagersystems, insbesondere des Außendurchmessers einer Welle (2) oder des Innendurchmessers einer Lagerbohrung innerhalb einer Lagerbuchse (1), wobei die Messung mittels eines kapazitiv messenden Sensorelements (4) durchgeführt wird, und wenigstens für den Zeitraum der Messung eine Ausrichtung und Zentrierung der Welle (2) innerhalb der Lagerbuchse (1) dadurch erfolgt, dass ein Messfluid in einen zwischen Lagerbuchse (1) und Welle (2) verbleibenden Lagerspalt (3) eingebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das in den Lagerspalt (3) eingebrachte Messfluid Druckluft ist.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass Welle (2) und Lagerbuchse (1) während der Messung relativ zueinander in Rotation versetzt werden.
Verfahren nach einen der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckluft mittels eines in der Welle (2) oder Lagerbuchse (1) angeordneten Luftführungskanals (6) in den Lagerspalt (3) eingebracht wird.
Verfahren nach einen der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächentopologie von Lagerbohrung und/oder Welle (2) vermessen wird.