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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Maschine mit einem positionsgenau verfahrbaren Kopf, insbesondere ein Koordinatenmessgerät, mit einem Gestell, an dem der verfahrbare Kopf angeordnet ist, wobei das Gestell zumindest einen Trägerkörper und ein relativ zum Trägerkörper verfahrbares Gestellteil aufweist, das auf dem Trägerkörper abgestützt ist, und wobei der Trägerkörper ein Hohlprofil besitzt.
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Eine solche Maschine – allerdings nicht in Form eines Koordinatenmessgerätes – ist beispielsweise aus Alfred Böge, das Techniker-Handbuch, 16. Auflage, Vieweg-Verlag, Braunschweig/Wiesbaden, 2000, Seiten 975–980 bekannt.
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Koordinatenmessgeräte werden üblicherweise verwendet, um geometrische Größen und/oder die Raumform eines Messobjekts mit hoher Genauigkeit zu vermessen, beispielsweise zur Qualitätskontrolle von Werkstücken. Die Koordinatenmessgeräte besitzen einen Messkopf, der über ein Verschiebegestell in einem Messvolumen verfahren werden kann. Der Messkopf wird in eine definierte Position in Bezug auf einen Messpunkt an dem Messobjekt gebracht. Die Raumkoordinaten des Messpunktes lassen sich dann aus der Position des Messkopfes im Messvolumen bestimmen. Geometrische Größen, wie beispielsweise Längenmaße oder Durchmesser, können aus den Raumkoordinaten mehrerer Messpunkte bestimmt werden.
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Um eine hohe Messgenauigkeit und eine geringe Messunsicherheit zu erreichen, ist es wünschenswert, dass der Messkopf entlang von möglichst steifen Führungen verfahren wird. Daher verwendet man bei Koordinatenmessgeräten häufig Trägerkörper aus Granit oder Industriekeramik. Das bewegliche Gestellteil, häufig in Form eines Schlittens, ist auf dem Trägerkörper über Luftlager abgestützt. Aus den Luftlagern tritt Luft unter hohem Druck aus und bildet ein Luftpolster, auf dem die Luftlager über eine Lauffläche des Trägerkörpers gleiten.
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Auch bei vielen Werkzeugmaschinen besteht der Wunsch, ein Kopfteil entlang von definierten Bewegungsbahnen zu bewegen. Üblicherweise handelt es sich hier nicht um einen Messkopf, sondern um einen Arbeitskopf, der eine Spindel mit einem Bearbeitungswerkzeug trägt. Die vorliegende Erfindung kann sowohl bei Koordinatenmessgeräten als auch bei Werkzeugmaschinen und anderen Maschinen eingesetzt werden, bei denen ein Kopfteil entlang von definierten Bewegungsbahnen bewegt werden soll. Die Erfindung ist jedoch vor allem bei Koordinatenmessgeräten vorteilhaft, da der Messkopf hier mit besonders hoher Genauigkeit über zum Teil lange Wege bewegt werden muss. Die Erfindung ist besonders vorteilhaft bei Koordinatenmessgeräten mit Luftlagern, die über eine Lauffläche des Trägerkörpers gleiten.
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Die Verwendung von Trägerkörpern aus Granit oder Industriekeramik ist einerseits teuer und führt andererseits zu sehr schweren Geräten. Außerdem sind die Formgebungsmöglichkeiten bei Trägerkörpern aus Granit begrenzt. Aus diesem Grund wurde schon in Betracht gezogen, einzelne Trägerkörper eines Koordinatenmessgerätes aus Aluminium herzustellen. Aluminium besitzt jedoch im Vergleich zu Industriekeramik oder Granit einen relativ geringen Elastizitätsmodul, was dazu führen kann, dass sich ein auf dem Trägerkörper gleitendes Luftlager in den Trägerkörper eindrückt. Um diesem Problem zu begegnen, benötigen Trägerkörper aus Aluminium sehr starke Materialquerschnitte, was die Vorteile des Werkstoffs gegenüber Granit und/oder Industriekeramik weitgehend zunichte macht.
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In dem eingangs genannten Techniker-Handbuch sind verschiedene Bauformen für Maschinengestelle beschrieben. Es ist hiernach bekannt, Trägerkörper aus Grauguss oder Stahl herzustellen, wobei Rippen- oder Kastenstrukturen verwendet werden, um eine hohe Steifigkeit bei reduziertem Gewicht zu erreichen. Für Koordinatenmessgeräte sind solche Gestelle jedoch nicht optimal.
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DE 37 08 412 A1 beschreibt eine Niveauregulierung einer Führung für einen Schlitten von Bearbeitungsmaschinen. Die Führung erstreckt sich entlang einer Längsachse. In einem Endbereich der Längsachse ist ein Lager vorgesehen, welches ein Verschwenken der Führung ermöglicht. In einem weiteren, dem Lager gegenüberliegenden Endbereich ist eine Vorrichtung vorgesehen, die diesen Endbereich anheben oder absenken kann. Diese Vorrichtung weist ein Druckmedium auf, derart, dass eine Veränderung des Drucks zu dem Anheben oder Absenken dieses Endbereichs führt. Hierdurch wird erreicht, dass die Führung höhenregulierbar ist. Eine Versteifung einzelner Komponenten ist davon nicht berührt.
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DE 100 46 868 A1 beschreibt eine Werkzeugmaschine mit einem Maschinenbett. Das Maschinenbett ist derart ausgestaltet, dass es wenigstens einen Hohlraum aufweist. In dem Hohlraum ist eine Mischung aus einer Flüssigkeit und einem körnigen Feststoff angeordnet. Hierdurch wird ein Dämpfungsverhalten der Werkzeugmaschine verbessert. Zur Versteifung der Maschine wird vorgeschlagen, in entsprechende Baugruppen Verstrebungsbleche einzuschweißen und/oder geeignete Wandstärken zu wählen.
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DE 103 33 561 A1 beschreibt eine Koordinatenmessmaschine mit einem eigensteifen Grundkörper. Der eigensteife Grundkörper trägt Führungsschienen, an denen ein Messkopf verfahren werden kann. Es wird vorgeschlagen, den eigensteifen Grundkörper als biege- und torsionssteifen Kastenträger auszubilden. Weiter werden Strebenstrukturen vorgeschlagen, die eine Versteifung des Grundkörpers herbeiführen.
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Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Maschine der eingangs genannten Art anzugeben, die eine hohe Steifigkeit der Führungsbahn für den Mess- oder Arbeitskopf mit einem möglichst geringen Gewicht und geringen Herstellungskosten verbindet.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird diese Aufgabe bei einer Maschine der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass der Trägerkörper innerhalb des Hohlprofils zumindest einen ersten und einen zweiten Hohlraum aufweist, wobei der erste Hohlraum vollständig mit der Flüssigkeit gefüllt ist und wobei der zweite Hohlraum ohne Flüssigkeit ist.
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Die vorliegende Erfindung macht sich zunutze, dass Flüssigkeiten eine geringe Kompressibilität aufweisen. In vielen Fällen können Flüssigkeiten sogar als inkompressibel angenommen werden. Untersuchungen der Anmelderin haben gezeigt, dass die Verwendung einer Flüssigkeit sehr gut zur Versteifung eines Hohlprofils dienen kann, das als Trägerkörper in einem Maschinengestell eingesetzt werden soll. Das Auffüllen des Hohlprofils mit Flüssigkeit ermöglicht eine einfache und kostengünstige Versteifung. Außerdem kann eine Gewichtsreduktion im Vergleich zu Trägerkörpern aus Vollmaterial erreicht werden, wenn die Dichte der verwendeten Flüssigkeit geringer ist als die Dichte des Vollmaterials.
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Die Verwendung einer Flüssigkeit zur Versteifung des Trägerkörpers vereinfacht zudem den Transport und das Aufstellen einer Maschine, da das Auffüllen der Flüssigkeit am Einsatzort erfolgen kann.
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Besonders vorteilhaft ist es, den Trägerkörper mit einer Rippenstruktur auszubilden und zumindest einige der vorhandenen Hohlräume mit Flüssigkeit aufzufüllen. Druckbelastungen auf einer Seite des Trägerkörpers werden über die Flüssigkeit auf andere Seiten abgeleitet. Der Trägerkörper wird versteift und ermöglicht eine präzise Führung eines Mess- oder Arbeitskopfes.
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Gemäß der Erfindung ist der Trägerkörper nur teilweise mit der Flüssigkeit gefüllt. Das Gesamtgewicht des Trägerkörpers lässt sich damit weiter reduzieren. Vorzugsweise liegt der erste Hohlraum unter der Lauffläche und besonders bevorzugt grenzt er an die Lauffläche an. Durch diese Ausgestaltung wird eine sehr hohe Versteifung bei geringem Materialeinsatz erreicht.
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Die oben genannte Aufgabe ist daher vollständig gelöst.
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In einer Ausgestaltung der Erfindung weist der Trägerkörper eine ebene Lauffläche auf, auf der das Gestellteil querverschieblich abgestützt ist.
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Grundsätzlich kann die vorliegende Erfindung in allen Fällen angewendet werden, bei denen ein Trägerkörper eine möglichst steife Basis für ein bewegliches Gestellteil bildet. Es kann sich beispielsweise um eine Säule handeln, an der ein Gestellteil drehbar gelagert ist. Die vorliegende Erfindung ist jedoch besonders vorteilhaft bei Trägerkörpern mit einer ebenen Lauffläche, auf der das Gestellteil translatorisch bewegt wird. Die Lauffläche des Trägerkörpers erfährt hierbei lokale Druckbelastungen, die sich mit der Position des Mess- oder Arbeitskopfes verändern bzw. verlagern. Eine Flüssigkeit verteilt die lokale Druckbelastung sehr gut auf die unbelasteten Seiten. Die Versteifung der Lauffläche wird aufgrund der Erfindung sehr effizient und kostengünstig realisiert.
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In einer weiteren Ausgestaltung weist das Gestellteil zumindest ein Luftlager auf, das auf der Lauffläche gleitet.
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In einer weiteren Ausgestaltung weist der Trägerkörper innerhalb des Hohlprofils zumindest eine Querstrebe auf, die die Lauffläche gegen das Gestellteil abstützt.
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Diese Ausgestaltung kombiniert die vorliegende Erfindung mit der an sich bekannten Maßnahme, innerhalb des Hohlprofils Querstreben oder Rippen vorzusehen, um eine gewichtsreduzierte und trotzdem steife Struktur zu erhalten. Die Verwendung von Querstreben ermöglicht zudem eine flexible Gestaltung des Trägerkörpers und eine Unterteilung des Hohlprofils in Hohlräume, die gezielt mit Flüssigkeit befüllt werden können. Durch die Kombination dieser Maßnahmen lässt sich eine besonders gute Versteifung bei geringen Kosten und reduziertem Gewicht erreichen.
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In einer weiteren Ausgestaltung weist der Trägerkörper zumindest zwei Seitenwände auf, die quer zu der Lauffläche angeordnet sind, wobei jede Seitenwand über zumindest eine Querstrebe mit der Lauffläche verbunden ist.
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In dieser Ausgestaltung bilden die Lauffläche, die Seitenwände und die zumindest eine Querstrebe Dreieckstrukturen im Hohlprofil, die eine besonders hohe Steifigkeit ermöglichen. Druckkräfte, die auf die Lauffläche einwirken, werden besonders effizient auf die Seitenwände abgeleitet.
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In einer weiteren Ausgestaltung bildet die zumindest eine Querstrebe zusammen mit der Lauffläche und zumindest einer Seitenwand einen ersten Hohlraum aus, der vollständig mit der Flüssigkeit gefüllt ist.
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In dieser Ausgestaltung erfüllt die zumindest eine Querstrebe mehrere Funktionen. Einerseits dient sie zur Versteifung der Lauffläche, indem sie Druckkräfte, die auf die Lauffläche einwirken, ableitet. Andererseits dient sie als Trennwand, die das mit Flüssigkeit gefüllte Volumen innerhalb des Hohlprofils begrenzt. Die vollständige Füllung des ersten Hohlraums mit der Flüssigkeit trägt dazu bei, die Lauffläche optimal zu versteifen.
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In einer weiteren Ausgestaltung besitzt die Lauffläche eine erste Profildicke und der Trägerkörper besitzt Seitenwände mit einer zweiten Profildicke, wobei die erste Profildicke größer ist als die zweite Profildicke.
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Mit anderen Worten ist der Trägerkörper dieser Ausgestaltung im Bereich der Lauffläche mit einer größeren Materialstärke ausgebildet als im Bereich der Seitenwände. Diese Ausgestaltung ermöglicht eine weitere Versteifung des Trägerkörpers im Bereich der Lauffläche bei reduziertem Gewicht und reduziertem Materialeinsatz. In Kombination mit den bereits zuvor erwähnten Ausgestaltungen (mehrere Hohlräume, Querstreben) lässt sich eine besonders hohe Steifigkeit realisieren.
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In einer weiteren Ausgestaltung besitzt die Flüssigkeit eine Dichte, die (bei Raumtemperatur) niedriger als 1 g/cm3 ist.
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In dieser Ausgestaltung wird eine Flüssigkeit verwendet, deren Dichte niedriger ist als die Dichte von Wasser. Diese Ausgestaltung ist vorteilhaft, weil sie die hohe Steifigkeit mit einem geringen Gesamtgewicht des Trägerkörpers kombiniert.
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In einer weiteren Ausgestaltung besteht der Trägerkörper im Wesentlichen aus Aluminium.
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Aluminium ist aufgrund seines geringen Gewichts, der relativ geringen Materialkosten und aufgrund der flexiblen Verarbeitung ein bevorzugtes Material für die Herstellung von Trägerkörpern. Aufgrund der geringen Biegesteifigkeit konnten die Vorteile dieses Materials jedoch bei Koordinatenmessgeräten bislang kaum genutzt werden. Die vorliegende Erfindung ermöglicht es nun, Trägerkörper für Koordinatenmessgeräte und vergleichbare Maschinen herzustellen, die eine hohe Biegesteifigkeit mit geringen Materialkosten und geringem Gewicht kombinieren. Darüber hinaus ist Aluminium korrosionsfrei, so dass es sich besonders gut für die Befüllung mit einer Flüssigkeit eignet. Grundsätzlich kann die Erfindung jedoch auch mit anderen metallischen oder nicht-metallischen Werkstoffen eingesetzt werden.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines Koordinatenmessgerätes gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
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2 einen Trägerkörper des Koordinatenmessgerätes aus 1 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel im Querschnitt,
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3 ein zweites Ausführungsbeispiel für einen Trägerkörper des Koordinatenmessgerätes aus 1 im Querschnitt, und
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4 ein drittes Ausführungsbeispiel für einen Trägerkörper des Koordinatenmessgerätes aus 1 im Querschnitt.
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In 1 ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung in Form eines Koordinatenmessgerätes in seiner Gesamtheit mit der Bezugsziffer 10 bezeichnet. Das Koordinatenmessgerät 10 ist hier in Portalbauweise dargestellt und besitzt eine Basis 12, auf der ein Portal 14 längsverschieblich angeordnet ist. Die Bewegungsrichtung des Portals 14 wird üblicherweise als Y-Achse bezeichnet. Das Portal 14 besitzt eine Traverse 15, auf der ein Schlitten 16 querverschieblich gelagert ist. Die Bewegungsrichtung des Schlittens 16 wird üblicherweise als X-Achse bezeichnet. Der Schlitten 16 trägt eine Pinole 18, die in Z-Richtung verfahrbar ist.
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Mit den Bezugsziffern 20, 22, 24 sind Maßstäbe bezeichnet, die in den Bewegungsachsen des Koordinatenmessgerätes 10 angeordnet sind. Mit Hilfe der Maßstäbe 20, 22, 24 ist es möglich, die Raumposition eines Messkopfes 28 zu bestimmen, der am unteren freien Ende der Pinole 18 angeordnet ist. Im dargestellten Ausführungsbeispiel handelt es sich um einen taktilen Messkopf mit einem (nicht maßstabsgetreu dargestellten) Taststift. Der Taststift dient dazu, einen Messpunkt am Messobjekt 30 anzutasten, um den Messkopf 28 in eine definierte Position relativ zu dem Messpunkt zu bringen. Anschließend können die Raumkoordinaten des Messpunktes aus der Position des Messkopfes 28 im Messvolumen bestimmt werden.
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Bei der Bezugsziffer 32 ist eine Steuer- und Auswerteeinheit schematisch dargestellt, die die Verfahrbewegungen des Koordinatenmessgerätes 10 entlang der Bewegungsachsen steuert und die Raumkoordinaten eines Messpunktes bestimmt.
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Der Vollständigkeit halber sei erwähnt, dass die vorliegende Erfindung nicht nur bei Koordinatenmessgeräten in Portalbauweise eingesetzt werden kann, wenngleich die vorliegende Erfindung besonders vorteilhaft für die Traverse 15 eines solchen Koordinatenmessgerätes geeignet ist. Die Erfindung kann jedoch auch bei Koordinatenmessgeräten in Horizontalarm-Bauweise und darüber hinaus auch bei anderen Maschinen mit einem beweglichen Mess- oder Arbeitskopf eingesetzt werden. Außerdem ist die Erfindung nicht auf die Traverse 15 beschränkt. Auch andere Teile des Verschiebegestells können in der erfindungsgemäßen Weise ausgebildet werden.
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2 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel für die Traverse 15 des Koordinatenmessgerätes 10. Die Traverse 15 besitzt eine Wand 40, die eine Lauffläche für ein Luftlager 42 bildet. Das Luftlager 42 trägt den Schlitten 16 zusammen mit weiteren Luftlagern, die hier der Einfachheit halber nicht dargestellt sind. Jedes Luftlager 42 erzeugt an seiner Unterseite ein Luftpolster, auf dem es über die Lauffläche 40 gleiten kann.
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Die Traverse 15 besitzt ferner zwei Seitenwände 44, 46 und eine Bodenwand 48. Im Querschnitt ist die Traverse 15 hier rechteckig. Die Lauffläche 40, die Seitenwände 44, 46 und die Bodenwand 48 umgrenzen ein Hohlprofil 50. Innerhalb des Hohlprofils 50 sind mehrere Querstreben 52, 54, 56 angeordnet, die die Traverse 15 insbesondere im Bereich der Lauffläche 40 versteifen. Eine erste Querstrebe 52 verläuft senkrecht von der Lauffläche 40 zur Bodenwand 48. Weitere Querstreben 54 verlaufen diagonal von der Lauffläche 40 zu den Seitenwänden 44, 46. Symmetrisch dazu sind weitere Querstreben 56 angeordnet, die die Seitenwände 44, 46 gegen die Bodenwand 48 abstützen.
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Die schräg verlaufenden Querstreben 54 bilden zusammen mit der Lauffläche 40 und den Seitenwänden 44, 46 vier erste Hohlräume 60, die gemäß der vorliegenden Erfindung vollständig mit einer inkompressiblen oder zumindest weitgehend inkompresiblen Flüssigkeit 62 befüllt sind. Die verbleibenden Hohlräume, beispielsweise mit der Bezugsziffer 64 bezeichnet, sind ohne Flüssigkeitsfüllung. In weiteren Ausführungsbeispielen der Erfindung könnten jedoch auch die weiteren (zweiten) Hohlräume 64 mit der Flüssigkeit 62 befüllt sein.
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In dem Ausführungsbeispiel gemäß 2 überträgt die Flüssigkeit 62 zusammen mit den Querstreben 54 Druckkräfte, die das Luftlager 42 auf die Lauffläche 40 ausübt, auf die Seitenwände 44, 46. Mit anderen Worten wird die Lauffläche 40 gegen die Seitenwände 44, 46 abgestützt. Die Lauffläche 40 wird hierdurch versteift und gibt der Druckbelastung des Luftlagers 42 weniger nach. Infolgedessen drückt sich das Luftlager 42 weniger stark in die Lauffläche 40 ein.
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3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel für die Traverse 15. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen dieselben Elemente wie zuvor.
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In dem Ausführungsbeispiel gemäß 3 ist die Lauffläche 40 (bzw. die Wand, die an ihrer Außenseite die Lauffläche 40 ausbildet), mit einer ersten Profildicke 68 ausgebildet, die deutlich größer ist als die zweite Profildicke der Seitenwände 44, 46. Schon diese Maßnahme ermöglicht eine Versteifung der Lauffläche 40. Darüber hinaus sind im Bereich der Lauffläche 40 vier Kanäle 72 mit kreisförmigem Querschnitt ausgebildet, die parallel zu der Bewegungsrichtung des Luftlagers 42 unter der Lauffläche 40 verlaufen. Die Kanäle 72 können innerhalb der Traverse 15 durchgehend sein oder in Teilkanäle unterteilt sein. Jeder der Kanäle 72 ist mit der Flüssigkeit 62 vollständig gefüllt. Demgegenüber ist der rechteckige Hohlraum 64, der von den Seitenwänden 44, 46 und der Bodenwand 48 umgrenzt wird, ohne Flüssigkeitsfüllung.
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4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel für die Traverse 15. In diesem Fall besitzt das Hohlprofil wiederum Querstreben 54a, 54b, die erste, flüssigkeitsgefüllte Hohlräume 74, 76 von einem zweiten Hohlraum 64 abtrennen, der ohne Flüssigkeitsfüllung ist. Die Querstreben 54a, 54b verlaufen in diesem Fall von der Lauffläche 40 (bzw. der Wand, die an ihrer Außenseite die Lauffläche 40 ausbildet) zu der Bodenwand 48. Dabei bilden die Querstreben 54a, 54b im Querschnitt ein V, dessen Spitze etwa mittig an der Lauffläche 40 endet. Auch in diesem Ausführungsbeispiel wird der Lagerdruck, den das Luftlager 42 auf die Lauffläche 40 ausübt, über die Flüssigkeit 62 und die Querstreben 54a, 54b auf die Seitenwände 44, 46 und die Bodenwand 48 übertragen. In Ergänzung hierzu ist die Lauffläche 40 hier noch mit einer größeren Profildicke ausgebildet als die Seitenwände 44, 46 und die Bodenwand 48.
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Als Flüssigkeitsfüllung eignet sich jede Flüssigkeit 62, die eine geringe Kompressibilität mit einer möglichst geringen Dichte verbindet. In Betracht kommen insbesondere Wasser, vorteilhafterweise mit Zusätzen gegen Korrosion und Fäulnis, oder beispielsweise Rizinusöl, das bei etwa gleicher Kompressibilität wie Wasser eine etwas geringere Dichte aufweist.
