DE102017118944B4 - Koordinatenmessgerät - Google Patents

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Abstract

Koordinatenmessgerät mit mindestens einem Messsystem (5) und mindestens einer Trägerstruktur (2,3,8), an der das Messsystem angeordnet ist, wobei das Messsystem in der Trägerstruktur und / oder die Trägerstruktur verfahrbar gelagert sind und wobei das Koordinatenmessgerät mindestens eine Luftlageranordnung (10) zur beweglichen Lagerung von zwei Bauteilen der Trägerstruktur oder des Messystems zueinander aufweist, wobei die Luftlageranordnung mindestens ein bewegliches Lagerelement (12) und ein stationäres Lagerelement (11) sowie mindestens eine Druckluftversorgung umfasst, durch welche ein Druckluftpolster zwischen dem beweglichen Lagerelement und dem stationären Lagerelement ausgebildet werden kann, sodass das bewegliche Lagerelement beabstandet zum stationären Lagerelement bewegbar ist, wobei das bewegliche Lagerelement mindestens eine Lauffläche (16) und das stationäre Lagerelement mindestens eine Gegenlauffläche (17) aufweisen, entlang denen sich bewegliches Lagerelement und stationäres Lagerelement gegenseitig zueinander bewegen, dadurch gekennzeichnet, dass die Lauffläche (16) und / oder die Gegenlauffläche (17) mit einer Beschichtung (18,19) aus Diamant oder diamantähnlichem Kohlenstoff versehen sind.

Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • GEBIET DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Koordinatenmessgerät mit mindestens einem Messsystem und mindestens einer Trägerstruktur, an der das Messsystem angeordnet ist, wobei das Messsystem in der Trägerstruktur und / oder die Trägerstruktur verfahrbar gelagert sind und wobei das Koordinatenmessgerät mindestens eine Luftlageranordnung zur beweglichen Lagerung von zwei Bauteilen der Trägerstruktur oder des Messystems zueinander aufweist.
  • STAND DER TECHNIK
  • Für die Qualitätssicherung ist es in der Fertigung in vielen Bereichen erforderlich, Werkstücke genau zu vermessen und die Dimensionen und / oder Formen der Werkstücke zu bestimmen. Dazu werden sogenannte Koordinatenmessgeräte eingesetzt, die über optische und / oder taktile Sensoren (Kontaktsensoren) Koordinaten eines zu vermessenden Werkstücks bestimmen können. Hierzu wird ein Messkopf mit einem entsprechenden Sensor dreidimensional im Raum verfahren, um das im Messraum gelagerte Werkstück zu vermessen. Ein Beispiel für ein derartiges Koordinatenmessgerät ist in der deutschen Offenlegungsschrift DE 10 229 823 A1 oder der europäischen Patentschrift EP 2 807 447 B1 beschrieben.
  • Um mit derartigen Koordinatenmessgeräten hochpräzise Messungen durchführen zu können, müssen die beweglichen Komponenten des Koordinatenmessgeräts, die zur Bewegung des Sensors im dreidimensionalen Raum erforderlich sind, ebenfalls hochpräzise gelagert werden. Dafür sind Luftlager geeignet, bei denen die zu lagernden Bauteile und insbesondere auch die beweglich zueinander zu lagernden Bauteile mit einem Luftspalt zwischen sich über ein Druckluftpolster beabstandet angeordnet sind. Ein entsprechender Luftspalt zwischen beweglich zueinander gelagerten Bauteilen kann im Bereich von wenigen Mikrometern Spaltdicke liegen. Der Luftspalt wird hierbei durch die Lauffläche des einen beweglichen Bauteils, z.B. eines verfahrbaren Schlittens, und die Gegenlauffläche des Bauteils, relativ zu dem die Bewegung erfolgt, z.B. einer Führungsschiene, begrenzt.
  • Bei dynamischen Belastungen eines entsprechenden aerostatischen Luftlagers, bei dem Druckluft oder ein sonstiges Gas zur Erzeugung des Luftspalts in den Zwischenraum der beweglich zueinander gelagerten Teile eingeblasen wird, kann es zu einer Verringerung des Luftspalts bis hin zum Ausfall der Luftlagerung kommen, sodass es zum Kontakt der gelagerten Bauteile bzw. von Lauffläche und Gegenlauffläche kommen kann. Dies kann jedoch Schäden an den gelagerten Bauteilen bzw. Lauffläche und Gegenlauffläche hervorrufen. Außerdem können Schäden an den Bauteilen bzw. an den den Luftspalt begrenzenden Flächen bei der Montage oder bei einem sonstigen Kontakt von Lauffläche und Gegenlauffläche in einem Zustand, wenn das Luftlager nicht in Betrieb ist, auftreten.
  • Beschädigungen von Lauffläche und Gegenlauffläche der sich zueinander bewegenden Bauteile in Form von Kratzern, Rillen, Dellen oder dergleichen, können jedoch dazu führen, dass die Luftlagerung nicht mehr in der gewünschten Genauigkeit vorgenommen werden kann oder die exakte Bewegung der beweglich zueinander gelagerten Bauteile bzw. von Lauffläche und Gegenlauffläche beeinträchtigt ist.
  • Darüber hinaus besteht zur Verbesserung der Maschineneffizienz und zur Verringerung der Herstellkosten die Notwendigkeit günstigere und zugleich leichtere Werkstoffe für die Ausbildung der zueinander beweglichen Bauteile bzw. der die Lauffläche und Gegenlauffläche bereitstellenden Bauteile einzusetzen, da beispielsweise durch leichtere Bauteile eine höhere Dynamik der Bewegung der beweglichen Bauteile ermöglicht werden kann.
  • Leichtere Werkstoffe besitzen jedoch häufig den Nachteil, dass sie eine geringere Festigkeit und Härte aufweisen und entsprechend gegenüber Beschädigungen in Form von Kratzern und Dellen bei gegenseitigem Kontakt der entsprechenden Bauteile anfälliger sind.
  • So werden beispielsweise für beweglich zueinander über ein Luftlager gelagerte Bauteile, an denen Laufflächen und Gegenlauffläche ausgebildet sind, Aluminiumwerkstoffe eingesetzt, die zur Verbesserung des Oberflächenschutzes Eloxal - Schichten und insbesondere Harteloxal - Schichten aufweisen. Allerdings weisen derartige Schichten insbesondere bei den erforderlichen Schichtdicken den Nachteil auf, dass die Herstellung aufwändig ist, da üblicherweise die aufgebrachten Schichten zur Erzielung der erforderlichen Oberflächengüte aufwändig nachbearbeitet werden müssen.
  • Des Weiteren sind aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 10 2007 045 317 A1 ein Elektromotor bekannt, der eine Luftlagerung von Rotor und Stator aufweist, wobei die Spaltflächen, die den Luftspalt der Luftlagerung begrenzen, eine Diamantbeschichtung aufweisen.
  • Die deutsche Offenlegungsschrift DE 10 2011 077 556 A1 beschreibt ein Gleitlager mit einer Hartstoffbeschichtung aus amorphem Kohlenstoff.
  • OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
  • AUFGABE DER ERFINDUNG
  • Es ist deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Koordinatenmessgerät mit einer Luftlageranordnung bereitzustellen, bei welchem für die zueinander beweglichen Bauteile bzw. die Bauteile, die den Luftspalt des Luftlagers begrenzen und Lauffläche sowie Gegenlauffläche bereitstellen, leichte Werkstoffe eingesetzt werden können, die gleichwohl eine exakte Einstellung des Luftlagers und eine hohe Genauigkeit der gegenseitigen Bewegung der beweglichen Bauteile über eine lange Lebensdauer der Bauteile ermöglichen. Gleichzeitig soll eine entsprechende Luftlageranordnung einfach herstellbar sein.
  • TECHNISCHE LÖSUNG
  • Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Koordinatenmessgerät mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
  • Die vorliegende Erfindung schlägt vor, die Lauffläche und / oder die Gegenlauffläche der Bauteile, die den Luftspalt einer Luftlageranordnung von zueinander beweglichen Bauteilen begrenzen, mit einer Beschichtung aus Diamant oder diamantähnlichem Kohlenstoff zu versehen, sodass die Lauffläche und / oder die Gegenlauffläche bei einem gegenseitigen Kontakt vor Beschädigungen, wie Kratzern, Rillen oder Dellen geschützt sind und somit eine hohe Qualität der Luftlagereinstellung und eine exakte Bewegung der beweglichen Bauteile zueinander über eine lange Lebensdauer der zueinander beweglichen Bauteile ermöglicht wird.
  • Zur einfacheren Darstellung wird im Folgenden bei der Luftlageranordnung bei den zueinander beweglichen Lagerelementen, die den Luftspalt begrenzen, von einem beweglichen Lagerelement und einem stationären Lagerelement gesprochen. Allerdings ist die erfindungsgemäße Luftlageranordnung nicht darauf begrenzt, dass von den zueinander beweglichen Lagerelementen, die die Lauffläche und Gegenlauffläche aufweisen und den Luftspalt begrenzen, eines stationär im Sinne des Wortes sein muss, sondern es ist auch mit abgedeckt, wenn beide Lagerelemente beweglich sind und zudem relativ zueinander beweglich sind.
  • Diamantschichten oder diamantähnliche Kohlenstoffschichten, die eine Mischung aus sp2 - und sp3 - hybridisierten Kohlenstoffatomen besitzen, können durch chemische Gasphasenabscheidung (CVD Chemical Vapor Deposition) oder plasmaunterstützte chemische Gasphasenabscheidung (PECVD Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) erzeugt werden. Derartige Schichten weisen eine hohe Härte und gute tribologische Eigenschaften auf, sodass selbst im Falle eines Kontaktes von Lauffläche und Gegenlauffläche keine Beschädigungen der Flächen zu erwarten sind. Darüber hinaus können derartige Schichten mit einer hohen Oberflächengüte, d.h. mit einer niedrigen Oberflächenrauheit abgeschieden werden, sodass eine Nachbearbeitung der abgeschiedenen Beschichtungen entbehrlich ist.
  • Insbesondere können die Schichten aus Diamant oder diamantähnlichem Kohlenstoff auf Laufflächen und / oder Gegenlaufflächen abgeschieden werden, die vorher mit einer mittleren Oberflächenrauheit von kleiner oder gleich 0,4 µm, vorzugsweise kleiner oder gleich 0,025 µm, insbesondere kleiner oder gleich 0,01 µm hergestellt worden sind, sodass nach der Beschichtung die nunmehr an der Beschichtung vorliegende Lauffläche bzw. Gegenlauffläche eine Oberflächenrauheit in vergleichbarer Güte aufweist.
  • Eine derartige Beschichtung kann eine Härte von mindestens 2000 HV (Vickershärte), vorzugsweise 2500 HV aufweisen, wobei die Beschichtung eine Dicke von kleiner oder gleich 15 µm, insbesondere kleiner oder gleich 10 µm besitzen kann.
  • Die Lauffläche und / oder Gegenlauffläche können entsprechend vollflächig mit einer entsprechenden Beschichtung versehen sein, sodass die gesamte Lauffläche bzw. Gegenlauffläche vor eventuellen Beschädigungen geschützt ist.
  • Figurenliste
  • Die beigefügten Zeichnungen zeigen in rein schematischer Weise in
    • 1 eine Darstellung eines Koordinatenmessgeräts und in
    • 2 eine Schnittdarstellung eines Luftlagers des Koordinatenmessgeräts aus 1 im Detail.
  • AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
  • Weitere Vorteile, Kennzeichen und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden bei der nachfolgenden detaillierten Beschreibung der Ausführungsbeispiele ersichtlich. Allerdings ist die Erfindung nicht auf diese Ausführungsbeispiele beschränkt.
  • Die 1 zeigt ein Koordinatenmessgerät 1 gemäß der vorliegenden Erfindung. Das Koordinatenmessgerät 1 umfasst eine Trägerstruktur mit einem verfahrbaren Portalträger 2 mit vier Säulen 6 und einem oberen Rahmen 7, in welchem wiederum verfahrbar ein Laufwagen 3 aufgenommen ist, an welchem ein Messsystem 5 in einer vertikal verfahrbaren Aufnahme 8 angeordnet ist. Das Messsystem 5 kann mindestens einen berührungslosen, z.B. optischen, kapazitiven oder induktiven Sensor und/oder mindestens einen taktilen Sensor aufweisen, mit welchem ein zu vermessendes Objekt 9 erfasst werden kann. Bei einem optischen Sensor kann dies berührungslos erfolgen, während mit einem taktilen Sensor die Dimensionen und / oder Form des zu vermessenden Objekts 9 durch entsprechenden Kontakt mit dem zu vermessenden Objekt 9 ermittelt werden. Neben dem dargestellten Ausführungsbeispiel kann die Erfindung in weiteren Koordinatenmessgeräten eingesetzt werden, die unterschiedlich aufgebaut sein können, z.B. lediglich zwei Säulen statt vier Säulen aufweisen können.
  • Der Portalträger 2 ist mit den Säulen 6 entlang einer Schienenanordnung mit Schienen 4 verfahrbar, wobei die Längserstreckung der Schienen 4 der X - Richtung entspricht, sodass das Messsystem 5 durch ein Verfahren des Portalträgers 2 entlang der Schienen 4 in X - Richtung verstellt werden kann. Der Laufwagen 3 kann in dem Portalträger 2 in einer Richtung quer zur X - Richtung, nämlich der Y - Richtung verfahren werden, wobei zusätzlich eine Bewegung des Messsystems 5 mit der vertikal im Laufwagen 3 verfahrbaren Aufnahme 8 senkrecht zu der durch die X - und Y - Richtung aufgespannten Ebene möglich ist, sodass das Messsystem 5 entlang der Koordinatenachsen X, Y und Z an jeden beliebigen Punkt im vom Koordinatenmessgerät 1 definierten Messraum bewegt werden kann.
  • Die Lagerung und Führung der beweglichen Komponenten der Trägerstruktur, also des Portalträgers 2 sowie des Laufwagens 3 und der Aufnahme 8 des Messsystems 5 ist zumindest teilweise durch Luftlager realisiert, bei denen zwischen zwei beweglichen Bauteilen durch Druckluft ein Spalt mit einem Druckluftpolster erzeugt wird.
  • Dies ist beispielhaft für die Luftlageranordnung 10 in 2 gezeigt, die als Lagerkomponenten ein stationäres Lagerelement 11 und ein entlang des stationären Lagerelements 11 verfahrbares Lagerelement 12 aufweist, wobei zwischen stationärem Lagerelement 11 und beweglichem Lagerelement 12 ein Luftlager ausgebildet ist.
  • Zur Ausbildung des Luftlagers ist am beweglichen Lagerelement 12 eine Luftzufuhr 13 sowie ein Luftauslass 14 vorgesehen, sodass Luft über die Luftzufuhr 13 und den Luftauslass 14 in den Zwischenraum zwischen beweglichem Lagerelement 12 und stationärem Lagerelement 11 eingeblasen werden kann, sodass sich ein Luftspalt 15 ausbildet. Entsprechend kann das bewegliche Lagerelement 12 berührungslos entlang dem stationären Lagerelement 11 bewegt werden, wenn mittels des Luftlagers der Luftspalt 15 erzeugt wird. Die Fläche des beweglichen Lagerelements 12, die in Richtung des stationären Lagerelements 11 weist und den Luftspalt auf Seiten des beweglichen Lagerelements 12 begrenzt, stellt die Lauffläche 16 des beweglichen Lagerelements 12 dar, während die Oberfläche des stationären Lagerelements 11, die in Richtung des beweglichen Lagerelements 12 weist und den Luftspalt 15 an dem stationären Lagerelement 11 begrenzt, die Gegenlauffläche 17 des stationären Lagerelements 11 darstellt.
  • An der Lauffläche 16 des beweglichen Lagerelements 12 ist eine Beschichtung 18 aus diamantähnlichem Kohlenstoff (DLC Diamond Like Carbon) bzw. aus Diamant aufgebracht. In gleicher Weise weist die Gegenlauffläche 17 ebenfalls eine Beschichtung 19 aus diamantähnlichem Kohlenstoff oder aus Diamant auf.
  • Durch die Beschichtungen 18,19 der Lauffläche 16 bzw. der Gegenlauffläche 17 werden die Lauffläche 16 bzw. die Gegenlauffläche 17 auch während der Montage oder bei einer Fehlfunktion des Luftlagers und einem Kontakt von Lauffläche 16 und Gegenlauffläche 17 vor einer Beschädigung geschützt, da die Beschichtungen eine hohe Härte und gute Gleiteigenschaften aufweisen, sodass eine hohe Güte des Luftlagers und eine exakte Bewegung von beweglichem Lagerelement 12 und stationärem Lagerelement 11 zueinander gewährleistet werden können. Zudem besitzen die Beschichtungen 18,19 eine hohe Oberflächengüte mit niedrigerer Rauheit, sodass eine Nachbearbeitung der Beschichtung nach der Aufbringung nicht erforderlich ist, sowie eine gute thermische Leitfähigkeit, chemische Inertheit und sehr gute elektrische Isolationseigenschaften.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Koordinatenmessgerät
    2
    Portalträger
    3
    Laufwagen
    4
    Schiene
    5
    Messsystem
    6
    Säule
    7
    Rahmen
    8
    Aufnahme
    9
    Objekt
    10
    Luftlageranordnung
    11
    stationäres Lagerelement
    12
    Lagerelement
    13
    Luftzufuhr
    14
    Luftauslass
    15
    Luftspalt
    16
    Lauffläche
    17
    Gegenlauffläche
    18
    Beschichtung
    19
    Beschichtung

Claims (6)

  1. Koordinatenmessgerät mit mindestens einem Messsystem (5) und mindestens einer Trägerstruktur (2,3,8), an der das Messsystem angeordnet ist, wobei das Messsystem in der Trägerstruktur und / oder die Trägerstruktur verfahrbar gelagert sind und wobei das Koordinatenmessgerät mindestens eine Luftlageranordnung (10) zur beweglichen Lagerung von zwei Bauteilen der Trägerstruktur oder des Messystems zueinander aufweist, wobei die Luftlageranordnung mindestens ein bewegliches Lagerelement (12) und ein stationäres Lagerelement (11) sowie mindestens eine Druckluftversorgung umfasst, durch welche ein Druckluftpolster zwischen dem beweglichen Lagerelement und dem stationären Lagerelement ausgebildet werden kann, sodass das bewegliche Lagerelement beabstandet zum stationären Lagerelement bewegbar ist, wobei das bewegliche Lagerelement mindestens eine Lauffläche (16) und das stationäre Lagerelement mindestens eine Gegenlauffläche (17) aufweisen, entlang denen sich bewegliches Lagerelement und stationäres Lagerelement gegenseitig zueinander bewegen, dadurch gekennzeichnet, dass die Lauffläche (16) und / oder die Gegenlauffläche (17) mit einer Beschichtung (18,19) aus Diamant oder diamantähnlichem Kohlenstoff versehen sind.
  2. Koordinatenmessgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (18,19) eine Härte von mindestens 2000 HV oder mindestens 2500 HV aufweist.
  3. Koordinatenmessgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (18,19) eine Dicke von kleiner oder gleich 15 µm oder kleiner oder gleich 10 µm aufweist.
  4. Koordinatenmessgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lauffläche (16) und / oder die Gegenlauffläche (17) vollflächig mit der Beschichtung (18,19) versehen sind.
  5. Koordinatenmessgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (18,19) nicht nachbearbeitet ist.
  6. Koordinatenmessgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (18,19) durch chemische Gasphasenabscheidung (CVD chemical vapor deposition) oder plasmaunterstützte chemische Gasphasenabscheidung (PECVD plasma enhanced chemical vapor deposition) aufgebracht ist.
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