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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Drehtisches für ein Koordinatenmessgerät sowie einen Drehtisch für ein Koordinatenmessgerät.
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Koordinatenmessgeräte (KMG) werden zunehmend für Formprüfaufgaben oder Welligkeitsanalysen eingesetzt. Die zu messenden Formfehler des Werkstücks betragen dabei z.B. häufig nur einige 100 nm. Um derart kleine Formabweichungen messen zu können ist ein minimaler Bewegungsfehler der am Messvorgang beteiligten KMG-Achsen erforderlich. Mit Bewegungsfehler wird dabei die Abweichung der Achsen-Bewegung von der idealen Bewegungsbahn bezeichnet. Ganz allgemein können Bewegungsfehler in 6 Freiheitsgraden auftreten.
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Insbesondere für die genannten Formprüfaufgaben kommen aus diesem Grund häufig Drehtische mit einer Drehachse als vierte Achse, neben den Verfahrachsen eines KMGs, zum Einsatz. Die Bewegungsfehler einer hochwertigen Drehachse liegt typischerweise um mindestens eine Größenordnung unter den Bewegungsfehlern der Verfahrachsen des KMG. Während des Messvorgangs kann beim Einsatz eines Drehtisches das KMG-Portal still stehen, das Werkstück befindet sich auf dem Drehtisch und wird am Taster „vorbeigedreht“. Ein hochwertiger Drehtisch weist dabei beispielsweise auf einer definierten Messhöhe (z.B. 50 mm) eine Bewegungsfehler unter 100 nm auf. Um die dafür notwendigen hohen Rund- und Planlaufgenauigkeiten des Drehtisches erreichen zu können, werden diese in der Hoch-/Ultrapräzisionsmessung luftgelagert.
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Die Verwendung von Luftlagern im Zusammenhang mit Drehtischen ist aus folgendem Stand der Technik bekannt.
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DE 100 06 876 C1 betrifft ein Verfahren zur Erhöhung der Genauigkeit und Sicherheit eines Koordinatenmessgerätes, bei dem auf einem luftgelagerten Tisch ein Werkstück angeordnet ist, welches zu vermessen ist, wobei das Gewicht des Werkstückes auf dem Tisch bestimmt wird, dass hierzu der Luftdruck zwischen wenigstens einem Luftlager des Tisches und einem Grundbett des Koordinatenmessgerätes erfasst wird, und dass mittels des Luftdruckes das Gewicht des Werkstückes berechnet wird, und dass das Gewicht des Werkstückes in Prüfprozessen, Verfahrprozessen und/oder Korrekturprozessen des Koordinatenmessgerätes berücksichtigt wird.
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WO 2010/054767 A1 zeigt eine Vorrichtung zum Bestimmen einer Messgröße an einem Messobjekt, mit einem Messtisch zum Anordnen des Messobjekts, einer Basis, auf der der Messtisch über eine Vielzahl von Lagerstellen abgestützt ist, einer ersten Sensoreinrichtung , die dazu ausgebildet ist, eine Anzahl von Messpunkten an dem Messobjekt zu identifizieren, einer zweiten Sensoreinrichtung, die dazu ausgebildet ist, eine Vielzahl von individuellen Lagerbelastungen zu bestimmen, wobei jede individuelle Lagerbelastung die mechanische Belastung einer Lagerstelle durch den Messtisch und das Messobjekt repräsentiert, und einer Auswerteeinheit zum Bestimmen der Messgröße in Abhängigkeit von den identifizierten Messpunkten, wobei die Auswerteinheit dazu ausgebildet ist, anhand der individuellen Lagerbelastungen eine räumliche Position zu bestimmen, die eine Schwerpunktlage des Messtisches mit dem Messobjekt relativ zu den Lagerstellen repräsentiert.
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Ferner ist eine Luftlagerung bei Verfahrachsen eines KMG aus
WO 2016/174254 A1 bekannt. Diese betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Koordinatenmessgeräts, wobei das Koordinatenmessgerät mit mindestens einem Messsystem und mindestens einer Trägerstruktur ausgestattet ist, an der das Messsystem angeordnet ist, wobei das Messsystem in der Trägerstruktur und/oder die Trägerstruktur verfahrbar gelagert sind und wobei das Koordinatenmessgerät mindestens ein Luftlager zur beweglichen Lagerung von zwei Bauteilen zueinander umfasst, welches ein Druckluftpolster zwischen den Bauteilen ausbilden kann, wobei das Luftlager mindestens eine Druckluftversorgungsleitung aufweist, über die Druckluft bereitgestellt wird. In der Druckluftleitung sind ein Ventil zur Steuerung des Durchflusses der Druckluft und ein Durchflussmesser angeordnet, mit dem der Durchfluss an Druckluft zum Luftlager ermittelt wird, sodass das Ventil in Abhängigkeit des ermittelten Durchflusses gesteuert wird.
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Bei der Realisierung einer luftgelagerten Drehachse bei einem Drehtisch treten folgende Probleme auf:
- 1. Ganz allgemein ist bei Drehtischen die Belastung durch das zu vermessende Kundenwerkstück i.d.R. unbekannt. Beispielsweise sind Massenbereiche von 0 - 1000 kg gefordert, die ein Drehtisch an einem Universal-KMG tragen können soll. Sich ändernde Werkstückgewichte führen zu einer Variation des Lagerspaltes und somit dessen Arbeitspunktes. Um die generelle Funktion des Luftlagers dennoch zu gewährleisten, ist entweder eine Beschränkung der zulässigen Beladung erforderlich oder eine aufwendige mechanische Gestaltung des Luftlagers zu realisieren (Membran- Luftlager).
- 2. Drehtische werden bevorzugt in zwei Einbaulagen eingesetzt, mit vertikal oder mit horizontal orientierter Drehachse. Ist eine horizontal orientierte Drehachse gefordert, können je nach zu vermessendem Werkstück u. U. hohe Kippmomente auftreten. Diese wirken dabei „einseitig“ auf das Drehtisch-Luftlager, bzw. dessen Struktur. Dadurch kann eine Überlastung des Drehtisch-Luftlagers auftreten. Strukturverformungen mit unerwünschten Verformungen beteiligter Lagerkomponenten sind ebenfalls möglich.
- 3. Ganz allgemein treten bei Drehachsen Strukturverformungen durch inhärente Kräfte und Momente auf. Diese werden beispielsweise durch im Antrieb / Motor wirkende Magnetkräfte oder durch die Luftlagerverspannung bewirkt. Auch Getriebestufen können Kräfte und Momente einleiten, die dann zu Strukturverformungen der Drehtisch-Struktur führen und auf diese Weise die Bewegungsfehler negativ beeinflussen.
- 4. Ein allgemeines Problem hinsichtlich der Genauigkeit von Drehachsen ist die endliche Steifigkeit der Strukturelemente einer Drehachse. Fällt zum Beispiel der Schwerpunkt des Werkstücks nicht mit der Drehtischachse zusammen, entsteht ein quer, insbesondere senkrecht zur Drehachse wirkendes Moment (sog. Kippmoment). Durch die Drehbewegung des Drehtisch-Rotors läuft dieses Kippmoment um, d.h. der Vektor des Kippmoments rotiert mit. Gerade wenn in der Messtechnik häufig verwendete Dreipunktlagerungen zum Einsatz kommen, kann die Struktur des Drehtischs wechselnd nachgeben. Aus diesem Grund werden möglichst steife Drehtisch-Strukturen gefordert, die jedoch aufwändig sind.
- 5. Zur Minimierung der Bewegungsfehler von Drehachsen sind häufig hochgenau bearbeitete Funktionsflächen erforderlich. Die erforderliche Präzision (Schleif-Bearbeitung) verursacht hohe Kosten. Teilweise werden auch aufwendige Druckluft-Drehdurchführungen benötigt, wenn die Luftzuführung über den Rotor der Drehachse erfolgt. Kommen Membrane-Lager zum Einsatz, steigt die Anzahl der Einzelteile. Klebeprozesse zur Montage dieser können einen Drehtisch zusätzlich verteuern.
- 6. Aufgrund der grundsätzlich bei Drehtischen unbekannten Belastung sind Überlastungen des Luftlagers bei einem luftgelagerten Drehtisch praktisch unvermeidbar. Beispielsweise können bei der Beladung eines Drehtischs mit einem Kran kurzzeitig unzulässig hohe Kippmomente auftreten, wenn das Werkstück exzentrisch auf der Planscheibe des Drehtischs abgesetzt wird. Überlastung des Luftlagers bedeutet in diesem Fall, dass sich die gegenüberliegenden Lagerflächen berühren. Wird nach einem exzentrischen Absetzen des Werkstücks dieses, z.B. durch Klopfen, zentriert, kann es zusätzlich zu einer Relativbewegung der sich berührenden Lagerflächen führen. Dabei besteht das Problem, dass die beteiligten Lagerflächen „fressen“. Das Luftlager sitzt damit fest und ist zerstört. Aus diesem Grund werden bei Luftlagern gewisse Notlaufeigenschaften, bzw. Verschleißfestigkeit gefordert.
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung bestand darin, eine Lösung für eines oder mehrere der oben aufgezeigten Probleme anzugeben.
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Nach einer grundlegenden Idee der Erfindung wird zur Lösung der oben genannten Probleme ein luftgelagerter Drehtisch angegeben, bei dem die Luftlagerkenngrößen Versorgungsdruck und/oder Durchfluss anpassbar und insbesondere abhängig von einem Betriebszustand steuer- oder regelbar sind. Die Grundidee besteht dabei darin, dass der aktuelle Belastungszustand des Drehtisches erfasst wird, insbesondere ein durch ein Werkstück hervorgerufener Belastungszustand. Anschließend wird der für den optimalen Betrieb notwendige Versorgungsdruck und/oder Durchfluss in einem oder mehreren Luftlagern dazu passend eingeregelt.
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Die Idee der Erfindung besteht darin, den Druck im Luftlagerspalt, bzw. den Durchfluss der Luft in dem Luftlager immer passend zum aktuellen Gewicht oder Kippmoment der Drehtischbeladung einzuregeln.
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Gelöst werden die Aufgaben der vorliegenden Erfindung insbesondere auch mit einem Verfahren und einem Drehtisch nach den unabhängigen Patentansprüchen. Bevorzugte und vorteilhafte Ausführungsformen werden in den Unteransprüchen sowie der nachfolgenden Beschreibung angegeben.
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Angegeben wird von der Erfindung ein Verfahren zum Betrieb eines Drehtisches für ein Koordinatenmessgerät, wobei der Drehtisch aufweist:
- - einen Stator,
- - einen Rotor, der um eine Drehachse rotierbar ist,
- - zumindest ein Luftlager zur beweglichen Lagerung des Rotors an dem Stator, welches einen Druckluftspalt zwischen dem Rotor und dem Stator ausbilden kann, wobei das Luftlager mindestens eine Druckluftversorgungsleitung aufweist, über die Druckluft bereitgestellt wird,
- - zumindest ein Ventil zur Einstellung eines Durchflusses der Druckluft, das in der Druckluftversorgungsleitung angeordnet ist, oder eine Druckstelleinrichtung zur Einstellung eines Druckes der Druckluft,
und wobei das Verfahren die Schritte aufweist:
- a) Ausüben einer Gewichtskraft oder eines Kippmoments auf den Rotor,
- b) Ermitteln einer oder mehrerer der folgenden Größen,
- i) Breite des Druckluftspalts,
- ii) Luftdruck in dem Druckluftspalt,
- iii) Durchfluss der Druckluft zu/in dem Luftlager,
- c) Einstellen des Durchflusses der Druckluft mit dem Ventil oder des Druckes der Druckluft, um einen Sollwert einer oder mehrerer der Größen i), ii oder iii) herzustellen oder beizubehalten.
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Das Verfahren kann als weitere Schritte aufweisen:
- - Rotieren des Rotors in verschiedene Drehstellungen.
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Die oben genannten Schritte b) und c), vorzugsweise a), b) und c) können in verschiedenen Drehstellungen des Rotors wiederholt durchgeführt werden.
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Das Verfahren kann als weiteren Schritt aufweisen:
- - Durchführung von Messungen an dem Werkstück, insbesondere Koordinatenmessungen.
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Der Drehtisch kann in einem Koordinatenmessgerät angeordnet sein und mit einem Werkstück beladen sein. An dem Werkstück können in dem Koordinatenmessgerät Koordinatenmessungen erfolgen, beispielsweise mit einem optischen oder taktilen Messsystem. Das Koordinatenmessgerät ist beispielsweise ein Portal-Koordinatenmessgerät.
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Der Rotor kann eine Werkstückauflage aufweisen oder mit einer Werkstückauflage verbunden sein. Beispielsweise kann an dem Rotor eine sogenannte Planscheibe angebracht sein.
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Das Luftlager kann eine Axiallagerung mit einem quer zur Drehachse stehenden Luftspalt bereitstellen. Alternativ oder zusätzlich kann das Luftlager eine Radiallagerung mit einem zu der Drehachse parallelen Spalt bereitstellen, insbesondere mit einem Spalt, der die Drehachse konzentrisch umgibt. Druckluft wird in den Druckluftspalt vorzugsweise über Öffnungen, insbesondere Düsen, eingeleitet, die vorzugsweise auf Seiten des Stators ausgebildet sind. Eine Druckluftversorgungsleitung kann mehrere solcher Öffnungen oder Düsen bedienen.
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Der Druckluftspalt bezeichnet einen im Luftlager gebildeten Spalt zwischen Bauteilen, der mit Druckluft gefüllt ist.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist sowohl mit einem Radial-Luftlager als auch mit einem Axial-Luftlager möglich, wobei ein Axiallager bevorzugt ist. Ein Radiallager wird vorzugsweise auf maximale Steifigkeit ausgelegt. Grund dafür ist, dass Gewichtskräfte und Kippmomente meist von einem Axiallager abgefangen werden.
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Ein Vorteil der Erfindung liegt darin, dass ein Luftverbrauch in einem Luftlager an eine Beladung angepasst werden kann. Bei niedriger Beladung kann ein Druck oder Durchfluss an Luft in dem Luftlager verringert werden, wodurch der Luftverbrauch sinkt. Luftlager von Drehtischen werden in der Regel mit einer sogenannten Lager-Vorspannung betrieben. Die Lagervorspannung dient der Ausbildung einer gewünschten Spaltbreite im unbelasteten Zustand, insbesondere ohne Belastung durch ein Werkstück. Bei Druckerzeugung in dem Lager zur Ausbildung eines Spaltes kann es passieren, dass bei einem gegebenen Druck der Spalt breiter wird als gewünscht. Entsprechend wird eine Vorspannkraft aufgebracht, um den Spalt auf das gewünschte Maß zu verkleinern, bei gegebenem Druck. Eine Vorspannkraft kann beispielsweise durch eine an dem Rotor befestigte Planscheibe (als Werkstückunterlage) aufgebracht werden, die bereits eine Gewichtskraft erzeugt und den Spalt bei gegebenem Druck verringert. Bei bekannten Luftlagern werden, falls erforderlich, zur weiteren Erhöhung der Vorspannkraft Magnete im Drehtischrotor eingesetzt, um eine Anziehung zwischen Rotor und Stator zu erzeugen. Bei der vorliegenden Erfindung kann im unbelasteten Zustand ein Luftdruck und Durchfluss so eingestellt werden, dass eine erwünschte Spaltbreite erzielt wird, wozu im unbelasteten Zustand ein geringerer Luftdruck oder ein geringerer Durchfluss erforderlich sind. Der unbelastete Zustand ist beispielsweise ein Zustand, in dem auf den Rotor keine Planscheibe aufgebracht ist oder auf einen Rotor die Planscheibe kein Werkstück aufgelegt ist. Als unbelasteter Zustand kann aber auch ein Zustand mit aufgebrachter Planscheibe ohne Werkstück definiert werden. Bei konventionellen Drehtischen ohne die erfindungsgemäße Steuerung/Regelung wird beispielsweise ein größerer Druck oder Durchfluss an Luft erzeugt und eine Gegenkraft beispielsweise durch Magnete aufgebracht, um den Drehtisch auf den Zustand höherer Belastung einzustellen. Hierbei sorgt der höhere Luftdruck im Spalt dafür, dass der Luftspalt bei Werkstückbelastung nicht oder nicht so schnell zusammenbricht. In der vorliegenden Erfindung kann darauf verzichtet werden, da bei einer aufgebrachten Werkstückbelastung der Druck oder Durchfluss neu eingeregelt werden können und situationsabhängig erhöht werden können, um ein Zusammenbrechen des Luftspalts zu verhindern. Im belastungsfreien Zustand kann wie erwähnt ein geringerer Druck oder Durchfluss eingestellt werden, was den Luftverbrauch verringert und auch eine magnetische Gegenkraft zur Vorspannung nicht erforderlich macht.
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Aus einer geringeren Vorspannkraft ergibt sich der Vorteil, dass die Struktur des Drehtisches weniger durch Kräfte belastet wird. Jede im Inneren eines Drehtisches wirkende Kraft stützt sich auf der Struktur des Drehtisches ab oder wirkt auf diese Struktur ein. Da jede Struktur nur eine endliche Steifigkeit aufweist, kann die Drehtischstruktur unter Krafteinfluss potentiell verformt werden. Dies wiederum beeinflusst Bewegungsfehler des Drehtisches und der Drehachse. Allgemein ist für ein gering belastetes Luftlager nur eine geringe Vorspannkraft erforderlich. Durch die von der Erfindung vorgeschlagene Anpassung eines Durchflusses oder Druckes der Luft können zur Erzeugung einer Vorspannung eingeleitete Kräfte, insbesondere magnetische Vorspannkräfte im Luftlager, zunächst klein gehalten werden oder sogar vermieden werden. Das Luftlager bzw. die Vorspannkraft muss also nicht von vornherein auf maximale Belastung ausgelegt werden, um den Drehtisch in einen sicheren Betriebszustand zu versetzen. Dies bedeutet für Werkstücke mit weniger Gewichtskraft kleine inhärente Kräfte und damit positive Auswirkungen auf den Bewegungsfehler der Drehachse. Drehtische gemäß dem Stand der Technik weisen schon im Grundzustand, ohne Belastung, hohe Luftlagerdrücke und damit erforderliche hohe Vorspannkräfte auf, um eine ausreichende Steifigkeit des Luftlagers für alle zulässigen Werkstückmassen bereitzustellen.
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Das erwähnte Ventil kann ein schnellschaltendes Ventil sein, mit dem der Durchfluss an Druckluft zum Luftlager und/oder der Druck im Luftlager mit Schaltzeiten von kleiner oder gleich 50 ms einstellbar ist.
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Insbesondere kann das Ventil eine Schaltzeit kleiner oder gleich 10 ms, insbesondere kleiner oder gleich 5 ms, aufweisen, um eine besonders dynamische Steuerung/Regelung bereitzustellen.
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Darüber hinaus ermöglicht ein schnellschaltendes Ventil in der Druckluftversorgung eines Luftlagers, dass dieses auch mit einer großen Schaltfrequenz betrieben werden kann, sodass das Luftlager oszillierend betrieben werden kann, wie nachfolgend noch beschrieben, und mittels dadurch erzeugter Schwingungen des Luftlagers bzw. der Luftlagerkomponenten oder einer Luftlageranordnung eine Schwingungstilgung oder Dämpfung zu erreichen, die nachfolgend noch angesprochen wird.
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Das Luftlager kann mit einem Druckluftspeicher verbunden sein, der in der Druckluftversorgungsleitung angeordnet sein kann oder mit dieser in Verbindung stehen kann. Das Ventil kann zwischen Druckluftspeicher und Luftlager angeordnet sein.
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Eine erwähnte Druckstelleinrichtung dient dazu, den Druck der Druckluft einzustellen, insbesondere den Druck in einem erwähnten Druckluftspeicher. Eine Druckstelleinrichtung ist beispielsweise eine Einrichtung, die in einem Kompressor vorgesehen ist, der zur Drucklufterzeugung vorgesehen ist.
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Die Gewichtskraft kann in einem Koordinatensystem des Drehtisches ortsfest oder ortsveränderlich sein. Eine ortsfeste oder statische Gewichtskraft kann bei stillstehendem Rotor erzeugt werden, z.B. durch ein aufliegendes Werkstück. Eine ortsveränderliche Gewichtskraft, auch bezeichnet als dynamische Gewichtskraft, kann bei drehendem Rotor auftreten. Das Ausüben einer dynamischen Gewichtskraft umfasst auch die Drehung eines Rotors mit exzentrisch aufgebrachter Masse (d.h. der Schwerpunkt der Masse ist exzentrisch zur Drehachse), beispielsweise der Masse eines Werkstücks. Die Gewichtskraft kann wiederum ein Kippmoment erzeugen. Das Kippmoment kann ebenso ortsfest oder ortsveränderlich sein, wie für die Gewichtskraft beschrieben.
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Unter einem Kippmoment wird ein quer zur Drehachse wirkendes Moment verstanden, das durch eine auf den Rotor einwirkende Kraft hervorgerufen wird. Anders ausgedrückt ist das Kippmoment ein quer zur Drehachse orientiertes Drehmoment. Ein Kippmoment kann durch die Lage eines Werkstücks mit Schwerpunkt exzentrisch zur Drehachse hervorgerufen sein oder durch eine Orientierung der Drehachse im Raum und entsprechende Krafteinwirkung auf den Rotor, beispielsweise bei horizontaler Orientierung der Drehachse im Raum.
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Eine Breite des Druckluftspalts, ein Luftdruck in dem Druckluftspalt oder ein Durchfluss der Druckluft können durch eine oder mehrere der folgenden Einrichtungen ermittelt werden:
- - einen oder mehrere Abstandssensoren zur Ermittlung einer Breite des Druckluftspalts. Beispielhaft ist ein kapazitiver Abstandssensor. Einer oder mehrere Abstandssensoren können sich bei einem Drehtisch vorteilhaft auf der Statorseite befinden und den Abstand zum Drehtischrotor ermitteln.
- - einen Drucksensor zur Ermittlung eines Luftdrucks in dem Druckluftspalt,
- - einen Durchflussmesser, mit dem der Durchfluss der Druckluft zu dem Luftlager ermittelbar ist,
- - einen Kraftsensor zur Ermittlung einer auf dem Rotor lastenden Gewichtskraft, beispielsweise eines Werkstücks. Beispiele hierfür sind ein Dehnungsmesstreifen oder ein Gewichtssensor.
- - einen Bewegungssensor zur Ermittlung einer Rotorbewegung in axialer Richtung,
- - einen Neigungssensor, zur Ermittlung einer Neigung des Rotors relativ zum Stator
- - einen Beschleunigungssensor zur Ermittlung einer Beschleunigung des Rotors in axialer Richtung, d.h. in Richtung der Drehachse.
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Eine oder mehrere dieser Einrichtungen können in einem nachfolgend noch beschriebenen erfindungsgemäßen Drehtisch vorhanden sein.
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Eine Breite des Druckluftspaltes, ein Luftdruck in dem Luftdruckspalt und/oder ein Durchfluss der Druckluft können mit oben genannten Einrichtungen entweder direkt oder indirekt gemessen werden. Beispielsweise können Zusammenhänge bekannt sein zwischen aufgebrachter Gewichtskraft und Durchfluss von Druckluft. Je höher eine auf das Lager aufgebrachte Gewichtskraft ist, desto kleiner wird der Druckluftspalt und desto kleiner wird der Durchfluss. Entsprechend kann auch Zusammenhang zwischen aufgebrachter Gewichtskraft und Breite des Luftdruckspalts vorhanden sein. Durch Messung der Gewichtskraft kann entsprechend eine Breite des Druckluftspalts oder ein Durchfluss der Druckluft gemäß bekannten oder vorherbestimmten Zusammenhängen ermittelt oder abgeschätzt werden. Umgekehrt kann bei Änderung des Luftlagerspalts bei bekanntem Zusammenhang zwischen Spaltbreite und einwirkender Gewichtskraft auf die auf den Drehtisch wirkende Gewichtskraft, also auf dessen Beladung, geschlossen werden.
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In ähnlicher Weise sind Zusammenhänge zwischen anderen Größen möglich. Beispielsweise kann aus Daten eines Bewegungssensors oder eines Beschleunigungssensors oder Neigungssensors eine Spaltbreite ermittelt werden.
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Die Breite des Druckluftspalts, auch „Luftlagerspalts“, ist vorzugsweise der Abstand beteiligter Lagerflächen an der engsten Stelle. Je nach mechanischer Ausführung des Luftlagers kann der Luftlagerspalt, muss aber nicht, dem Luftlagerhub entsprechen.
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Vorzugsweise wird die Drehtischbelastung über den im Luftlagerspalt herrschenden Luftdruck/Durchfluss bestimmt.
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In oben genanntem Schritt c) werden eine oder mehrere der Größen i) bis iii) gesteuert oder geregelt. Stellgröße ist der Durchfluss der Druckluft mit dem Ventil bzw. die Ventilöffnung oder der Druck der Druckluft, insbesondere in der Versorgungsleitung oder einer Drucklufterzeugungseinrichtung.
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Ein Sollwert kann ein Sollwert innerhalb eines Sollwert-Bereichs sein.
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Schritt c) kann mit einer nachfolgend anhand einer erfindungsgemäßen Drehvorrichtung noch erläuterten Steuerungs- oder Regelungseinrichtung durchgeführt werden.
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In der Erfindung wird der Versorgungsdruck oder der Versorgungsdurchfluss im Luftlager des Drehtisches so eingestellt, dass ein für das Lager gefahrloser Betrieb ermöglicht ist. Eine Einstellung erfolgt insbesondere abhängig von der Gewichtskraft des Werkstücks, die dem Wert nach nicht zwingend ermittelt werden muss, aber ermittelt werden kann, um eine oder mehrere der Größen i) bis iii) gemäß einen bekannten Zusammenhang zu ermitteln. Die Gewichtskraft eines Werkstücks ist die wichtigste Einflussgröße, die eine der Größen i) bis iii) beeinflusst. Eine weitere Einflussgröße kann die Ausrichtung der Drehachse im Raum sein, wobei eine oder mehrere der Größen i) bis iii) durch das Eigengewicht des Rotors beeinflusst werden können.
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Erwähnter Sollwert oder Sollwert-Bereich wird so gewählt, dass ein gefahrloser Betrieb des Luftlagers ermöglicht ist. Für den sicheren Betrieb eines Luftlagers ist ein gewisser Minimalspalt erforderlich. Dieser kann durch die adaptive Regelung gemäß der Erfindung des Versorgungsdrucks/-durchflusses gewährleistet werden. In einer bevorzugten Variante kann die Breite des Druckluftspalts bei einem bestimmen Sollwert oder innerhalb eines engen Bereiches gehalten werden.
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Die in Schritt b) ermittelte Größe muss nicht unbedingt die Größe sein, die in Schritt c) durch Einstellen des Durchflusses der Druckluft oder des Druckes der Druckluft eingestellt wird. Beispielsweise ist es möglich, in Schritt b) den Luftdruck zu ermitteln, aus einem bekannten Zusammenhang die Breite des Druckluftspaltes zu ermitteln (beispielsweise bei konstanter Gewichtskraft eines Werkstücks) und dann in Schritt c) einen Sollwert der Breite des Druckluftspalts zugrunde zu legen und den Durchfluss entsprechend anzupassen, um diesen Sollwert zu erreichen.
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In einer Ausführungsform der Erfindung ist das Luftlager in mehrere Luftlagerbereiche untergliedert, die um die Drehachse des Drehtisches herum angeordnet sind, wobei jeder Luftlagerbereich jeweils ein eigenes Ventil zur Einstellung des Durchflusses der Druckluft in den betreffenden Luftlagerbereich aufweist oder eine eigene Druckstelleinrichtung zur Einstellung eines Druckes der Druckluft aufweist, wobei bei dem Verfahren für jeden der Luftlagerbereiche die Schritte b) und c) durchgeführt werden.
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In dieser Ausführungsform kann das Luftlager bereichsweise getrennt gesteuert oder geregelt werden, d.h. bereichsweise der Durchfluss oder der Druck der Druckluft getrennt gesteuert/geregelt werden. Es kann also in einem Bereich beispielsweise ein höherer Druck angelegt werden und in einem anderen Bereich, der beispielsweise bezogen auf die Drehachse gegenüberliegend ist, ein geringerer Druck angelegt werden. Diese Ausführungsform ist besonders dann vorteilhaft, wenn die Drehachse nicht senkrecht oder schief im Raum orientiert ist, beispielsweise bei horizontaler oder schiefer Orientierung der Drehtischachse. In diesem Fall entsteht durch Gewichtskräfte, insbesondere durch das Werkstück, ein Kippmoment, insbesondere ein statisches Kippmoment. Dieses kann beispielsweise auf ein Axiallager des Drehtisches wirken. Das Kippmoment wirkt sich dabei wie eine Erhöhung der Vorspannkraft des Luftlagers aus. Ein großes Problem solcher Kippmomente ist, dass diese bei horizontaler oder nicht senkrecht ausgerichteter Drehachse die zulässigen Werkstückmassen beschränkt sind, um eine Überlastung des Drehtischluftlagers zu vermeiden. Mit oben genannter Ausführungsform kann dieses Problem gelöst werden, da mehrere Luftlagerbereiche getrennt gesteuert/geregelt werden können, um dem Kippmoment entgegenzuwirken. Häufig ist erwünscht, dass ein Drehtisch mit vertikal oder horizontal ausgerichteter Drehachse betrieben werden kann, oder in einer Zwischenstellung zwischen horizontal und vertikal. Ein Beispiel sind zweiachsige Dreht-Kipp-Tische, bei denen die Belastung einer Achse von den Stellungen der anderen Achsen abhängig sein kann. Für eine horizontal ausgerichtete Drehachse kann der Drehtisch zur Seite gekippt werden, bis die Drehachse horizontal ausgerichtet ist. Luftlagerbereiche können so ausgerichtet werden, dass in horizontaler oder schiefer Drehachsstellung ein oder mehrere Luftlagerbereiche unterhalb der Drehachse angeordnet sind und ein oder mehrere andere Luftlagerbereiche oberhalb der Drehachse. In dieser Variante getrennte Steuerung/Regelung gemäß Schritt c) des Verfahrens vorteilhaft.
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In einer speziellen Variante wird ein Verfahren angegeben, wobei
- - ein Kippmoment auf den Rotor ausgeübt wird, insbesondere durch nicht senkrecht ausgerichtete Drehachse und/oder durch ein Werkstück
- - bei einem von der Drehachse aus in einer Kipprichtung angeordneten Luftlagerbereich in Schritt c) der Durchfluss oder der Druck erhöht wird, und
- - bei einem von der Drehachse aus gegen die Kipprichtung angeordneten Luftlagerbereich in Schritt c) der Durchfluss oder der Druck verringert wird.
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In dieser Variante wird insbesondere die Situation einer horizontalen Drehachse berücksichtigt, bei der oben genannte Probleme auftreten. Bei dieser Verfahrensvariante kann der Luftdruck/Durchfluss in einem Luftlagerbereich, der in Wirkrichtung des Kippmoments angesiedelt ist, erhöht werden und der eines gegenüberliegenden (bezogen auf die Drehachse gegenüberliegenden) Luftlagerbereichs erniedrigt werden.
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Erwähnte Luftlagerbereiche können konzentrisch um die Drehachse angeordnet sein. Die Luftlagerbereiche können eine gleiche oder ähnliche Ausdehnung bzw. Flächenerstreckung aufweisen. In einem Luftlagerbereich können eine oder mehrere, vorzugsweise eine Vielzahl, Öffnungen (Luftausströmöffnungen), insbesondere Düsen, angeordnet sein. Die Öffnungen eines Luftlagerbereiches sind eine Teilmenge der gesamten Menge Öffnungen des gesamten Luftlagers. Diese Öffnungen können den Luftlagerbereich bilden. Einer Öffnung eines Luftlagerbereiches kann ein erwähntes Ventil zugeordnet sein. Mehreren Öffnungen eines Luftlagerbereiches kann ein gemeinsames Ventil zugeordnet sein. Mehreren Öffnungen eines Luftlagerbereiches kann eine gemeinsame Druckluftversorgungsleitung, die eine Druckluftversorgungsleitung für diesen bestimmten Bereich ist, zugeordnet sein. Diese kann sich in die einzelnen Öffnungen bzw. Kanäle zu diesen einzelnen Öffnungen verzweigen. In der gemeinsamen Druckluftversorgungsleitung für einen Luftlagerbereich kann das Ventil für diesen Luftlagerbereich angeordnet sein.
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An dem Stator kann eine Luftlagerfläche ausgebildet sein und an dem Rotor kann eine Luftlagerfläche ausgebildet sein. Die Luftlagerfläche an dem Stator ist insbesondere kreisförmig oder ringförmig. In den Mittelpunkt des Kreises oder Ringes kann die Drehachse die Lagerfläche durchstoßen. In analoger Weise kann eine Luftlagerfläche an dem Rotor kreisförmig oder ringförmig sein.
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Oben erwähnte Luftlagerbereiche können bei einer kreisförmigen oder ringförmigen Luftlagerfläche, insbesondere einer Luftlagerfläche des Stators, als Kreissegmente oder Ringsegmente ausgebildet sein. Generell ist aber jede Form eines Bereiches möglich.
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Ein Luftlagerbereich kann jeweils, für sich genommen, oben erwähnte Einrichtungen aufweisen: einen oder mehrere Abstandssensoren, einen Drucksensor, einen Durchflussmesser, einen Kraftsensor, einen Bewegungssensor, einen Neigungssensor und/oder einen Beschleunigungssensor.
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In einer Ausführungsform des Verfahrens wird der Rotor rotiert, sodass der Angriffspunkt der Gewichtskraft relativ zu dem Stator bei der Rotation des Rotors geändert wird oder die Richtung des Kippmoments mit der Rotation des Rotors geändert wird und bei jedem der Luftlagerbereiche die Schritte b) und c) in verschiedenen Drehstellungen des Rotors durchgeführt werden.
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Diese Ausführungsform findet insbesondere dann Anwendung, wenn ein Werkstück auf dem Rotor positioniert ist und der Schwerpunkt des Werkstücks abseits der Drehachse liegt, also exzentrisch zur Drehachse orientiert ist und bei einer Rotation des Rotors um die Drehachse herum rotiert wird. Diese Ausführungsform ist aber nicht auf eine vollständige Drehbewegung beschränkt, sondern umfasst auch eine Teildrehbewegung, beispielsweise um einen bestimmten Drehwinkel, der kleiner als 360° ist. Auch bei Drehtischen mit senkrecht ausgerichteter Drehtischachse kommt es bei exzentrischer Schwerpunktlage (bezogen auf die Drehachse) des Werkstücks zu einem Kippmoment. Die Richtung des Kippmoments sowie die Kipprichtung ändern sich, bezogen auf den Stator, mit der Rotorbewegung. Die Richtung des Kippmoments kann in einem Stator-Koordinatensystem, also einem statischen, nicht mit rotierenden Koordinatensystem, angegeben werden und ändert sich darin je nach Drehstellung des Rotors. Bei einer vollständigen Rotordrehung kommt es zu einem sogenannten umlaufenden Kippmoment, d.h. der Vektor des Kippmoments vollzieht ebenfalls eine Drehbewegung, wie der Rotor. Entsprechend der sich ändernden Lage des Schwerpunkts eines Werkstücks ändert sich auch der Druck oder Durchfluss der Luft in dem Luftlager örtlich. Dort, wo der Schwerpunkt gerade lokalisiert ist, wird der Druck im Druckluftspalt erhöht und der Durchfluss erniedrigt. Entsprechendes gilt für die Breite des Druckluftspalts, der am Ort der momentanen Schwerpunktlage im Stator-Koordinatensystem verringert wird. Bei einem um die Drehachse rotierenden Rotor kann diese Druck-/Durchfluss-/Spaltbreitenänderung als Welle aufgefasst werden, also als sich räumlich ausbreitende Veränderung, in diesem Fall eine um die Drehachse herumlaufende Veränderung. Dieser räumlichen Änderung wird in dieser Ausführungsform dadurch begegnet, dass je nach Drehstellung des Rotors der Durchfluss der Druckluft oder der Druck der Druckluft in den einzelnen Luftlagerbereichen jeweils neu eingestellt wird, um den Sollwert einer oder mehrerer der Größen i) (Breite des Druckluftspalts), ii) (Luftdruck in dem Luftdruckspalt) oder iii) (Durchfluss der Druckluft) in jeder Drehstellung zu steuern oder einzuregeln. Das Einstellen in Schritt c) kann in beliebig kurzen Zeitinkrementen erfolgen. In einem konkreten Beispiel wird eine auf dem Rotor positionierte Masse mit exzentrisch zur Drehachse angeordnetem Schwerpunkt um die Drehachse herum rotiert, bei der momentanen Lage des Schwerpunkts wird der Luftdruck in dem Druckluftspalt erhöht oder die Breite des Druckluftspalts verringert und in Reaktion darauf wird in dem jeweiligen Luftlagerbereich, wo sich der Schwerpunkt momentan befindet, der Durchfluss der Druckluft erhöht oder der Druck der Druckluft erhöht, um den Sollwert der Breite des Druckluftspalts oder den Sollwert des Luftdrucks wieder herzustellen. Bei einer Rotationsbewegung des Rotors mit vollständiger Umdrehung werden alle um die Drehachse herum angeordneten Luftlagerbereiche in Rotationsrichtung neu angesteuert bzw. eingeregelt. Luftlagerbereiche, in denen der Schwerpunkt momentan nicht angeordnet ist, werden ebenfalls angesteuert bzw. eingeregelt. In solchen Bereichen kann beispielsweise der Durchfluss der Druckluft oder der Druck der Druckluft wieder auf einen Wert eingestellt werden, oder eingestellt bleiben, der eingestellt war, bevor der Masseschwerpunkt diesen Luftlagerbereich erreichte.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist das Verfahren die Schritte auf:
- - Erhöhen des Durchflusses oder Drucks oder Stoppen des Durchflusses/Wegnehmen des Drucks,
- - Beladen des Rotors mit einem Werkstück.
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Diese Ausführungsform eignet sich besonders zum Abfangen kurzer Belastungsspitzen, beispielsweise bei Beladung des Drehtischrotors mit einem Werkstück. Erwähnte Schritte werden vorzugsweise vor den oben erläuterten Schritten a), b) und c) durchgeführt und können der Vorbereitung des Drehtischbetriebs dienen, beispielsweise der Vorbereitung durch Beladung mit einem Werkstück. Da bei der Beladung des Drehtisches mit einem Werkstück mit Stoßbelastungen zu rechnen ist, kann in dieser Ausführungsform der Druck oder Durchfluss im Luftlager erhöht werden, um eine erhöhte Steifigkeit zu erzielen. So wird verhindert, dass bei Beladung mit einem Werkstück und eine kurze dynamische Belastung der Luftspalt im Lager zusammenbricht. Hierbei in die Drehtischstruktur eingebrachte höhere Kräfte können in Kauf genommen werden, da auf einen durch erhöhte Krafteinleitung hervorgerufenen Bewegungsfehler während eines Beladevorgangs nicht geachtet werden muss. Nach der Beladung kann die Erhöhung des Durchflusses oder Drucks rückgängig gemacht werden, um in den gewünschten Betriebszustand zu kommen, in welchem eine Rotation des Werkstücks erfolgt.
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Vorangehend genannte Ausführungsform weist zwei Alternativen auf. Alternativ zu einer Erhöhung des Durchflusses oder Druckes kann der Durchfluss der Luft auch gestoppt werden oder der Druck weggenommen werden. Dies entspricht einer Abschaltung der Luftversorgung des Luftlagers, wobei das Luftlager bewusst festgesetzt wird und Lagerflächen an dem Rotor und dem Stator sich berühren bzw. aufeinander zu liegen kommen. In dieser Variante kann eine schädliche Relativbewegung von Lagerflächen relativ zueinander während des Beladevorgangs verhindert werden. Eine weitere Anwendung wäre ein Nothalt, um eine möglichst hohe Bremsbeschleunigung und kurze Bremswege zu erreichen. In einer speziellen Variante kann in dem Luftlager ein Unterdruck erzeugt werden. Dadurch kann die Haftung von Lagerflächen aneinander noch vergrößert werden.
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In einer Ausführungsform ist/sind die in Schritt b) ermittelte Größe
- - Breite des Druckluftspalts,
- - Luftdruck in dem Druckluftspalt, und/oder
- - Durchfluss der Druckluft zu/in dem Luftlager,
oszillierend und in Schritt c) erfolgt das Einstellen des Durchflusses der Druckluft oder des Druckes der Druckluft derart, dass einer Oszillation der ermittelten Größe durch Auslöschen, Verringern oder Dämpfen entgegengewirkt wird.
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Diese Ausführungsform begegnet dem Problem, dass bei Luftlagern es gelegentlich im Betrieb zu einem Luftlagerschwingen kommt. In dieser Ausführungsform wird durch Variation des Luftlager-Versorgungsdrucks oder Durchflusses das Luftlager so gesteuert oder geregelt, dass der Luftlagerschwingung, die als Oszillation einer oder mehrerer der genannten Größen in Erscheinung tritt, entgegengewirkt wird. Es kann insbesondere der Durchfluss oder Druck der Druckluft erhöht, verringert oder periodisch geändert werden, beispielsweise oszillierend. Durch eine Spaltmessung / Druckmessung kann ein schwingendes Luftlager erkannt werden. Die Gegenmaßnahme kann erwähnte Erhöhung, Verringerung oder periodische Änderung von Durchfluss oder Druck sein. Der Effekt ist eine Verstimmung des Resonators.
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In einem weiteren Aspekt wird von der Erfindung ein Drehtisch für ein Koordinatenmessgerät angegeben, aufweisend
- - einen Stator,
- - einen Rotor, der um eine Drehachse rotierbar ist,
- - zumindest ein Luftlager zur beweglichen Lagerung des Rotors an dem Stator, welches einen Druckluftspalt zwischen dem Rotor und dem Stator ausbilden kann, wobei das Luftlager mindestens eine Druckluftversorgungsleitung aufweist, über die Druckluft bereitgestellt wird,
- - zumindest ein Ventil zur Einstellung eines Durchflusses der Druckluft, das in der Druckluftversorgungsleitung angeordnet ist, oder eine Druckstelleinrichtung zur Einstellung eines Druckes der Druckluft,
- - eine in den Drehtisch integrierte oder externe, mit dem Drehtisch verbundene Steuerungs-/Regelungseinrichtung zur Steuerung oder Regelung einer der folgenden Größen:
- i) Breite des Druckluftspalts,
- ii) Luftdruck in dem Druckluftspalt,
- iii) Durchfluss der Druckluft zu/in dem Luftlager.
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Bei der vorangehenden Beschreibung erfindungsgemäßer Verfahren wurden bereits gegenständliche Merkmale eines Drehtisches aufgeführt, die einzeln oder in beliebiger Kombination in dem erfindungsgemäßen Drehtisch vorhanden sein können. Der erfindungsgemäße Drehtisch kann zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet sein, wofür auf die vorangehende Offenbarung Bezug genommen wird.
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Der Drehtischrotor kann eine Werkstückauflage aufweisen, beispielsweise kann an dem Rotor eine Planscheibe angebracht sein.
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Die Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung wertet Daten hinsichtlich des Betriebszustands des Luftlagers aus. Als Ergebnis des erfassten Betriebszustands erfolgt die Steuerung oder Regelung der o.g. Größen i) bis iii). Daten zu dem Betriebszustand können durch einen oder mehrere vorangehend genannte Einrichtungen wie Abstandssensor, Drucksensor, Durchflussmesser, Kraftsensor, Bewegungssensor, Neigungssensor und/oder Beschleunigungssensor zur Verfügung gestellt werden.
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Die Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung kann jeden der oben erwähnten Luftlagerbereiche einzeln ansteuern oder Regeln, sofern ein Drehtisch mehrere Luftlagerbereiche aufweist.
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Die Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung kann in den Drehtisch integriert sein oder in eine Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung eines Koordinatenmessgeräts integriert sein. Für den Fall, dass die Steuerungs-/Regelungseinrichtung nicht direkt in den Drehtisch integriert ist, kann auch von einem Verbund zwischen Drehtisch und Steuerungs-/Regelungseinrichtung gesprochen werden.
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Die Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung kann eine Auswerteeinheit umfassen, mit der erfasste Messwerte von vorangehend beschriebenen Einrichtungen (wie Drucksensor etc.) ausgewertet werden können. Darüber hinaus kann die Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung eine Speichereinrichtung aufweisen, mit der Messdaten und/oder Auswerteergebnisse gespeichert werden können.
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In einer Ausführungsform weist das Luftlager eine plane Oberfläche aus porösem Graphit auf, durch welche Luft ausströmbar ist, um den Druckluftspalt zwischen dem Rotor und dem Stator auszubilden, wobei bei Fehlen des Druckluftspaltes die Oberfläche aus porösem Graphit die Kontaktfläche zwischen dem Rotor und dem Stator ausbildet.
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Ein in dieser Ausführungsform eingesetztes Planlager aus Graphit hat folgende günstige Eigenschaften:
- - kostengünstig,
- - gleichmäßiges Druckprofil im Luftlagerspalt und dadurch homogene Kraftverteilung,
- - sehr gute Notlaufeigenschaften, bei Berührung von Lagerflächen und Zusammenbruch des Druckluftspalts, aufgrund der Gleitfähigkeit des Graphits,
- - leichte Bearbeitbarkeit des Graphitmaterials,
- - einfache Reparatur der Luftlagerfläche, beispielsweise durch Austausch des Graphitteils.
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Eine Oberfläche aus porösem Graphit kann in einem Graphitbauteil, vorzugsweise einer flachen Scheibe aus porösem Graphit, gebildet sein. Ein solches Graphitteil kann auf einem weiteren Teil des Luftlagers aufliegen, in dem Luftöffnungen, insbesondere Düsen, gebildet sind. In diesem Teil vorhandene Öffnungen können gruppenweise zu erwähnten Luftlagerbereichen zusammengefasst sein.
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In einer Ausführungsform weist das Luftlager auf Seiten des Stators einen Grundkörper auf, der einteilig ist und eine statorseitige Lagerfläche aufweist. Auch bei einem einteiligen Grundkörper können mehrere Luftlagerbereiche vorhanden sein. Hierdurch wird eine erhöhte Steifigkeit der Struktur erreicht. Durch diese erhöhte Steifigkeit der Struktur wird eine verringerte Auswirkung inhärenter und externer Kräfte auf einen Bewegungsfehler der Drehachse erwartet.
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In einer Ausführungsform erfolgt die Luftzufuhr in das Luftlager von der Stator-Seite aus, insbesondere durch den Stator hindurch zu einer auf Seiten des Stators gebildeten Lagerfläche. In dieser Lagerfläche tritt die Luft aus, um den Druckluftspalt zwischen Stator und Rotor zu bilden. Vorteil hierbei ist, dass die Druckluftzufuhr statisch ist, im Gegensatz zu einer Druckluftzufuhr auf Seiten des Rotors, die mit dem Rotor ganz oder zumindest teilweise rotiert wird. Ferner wird eine Verringerung der Zahl der Einzelteile eines Drehtisches erreicht und Herstellung und Montage des Drehtisches vereinfacht.
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In noch einem Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung einen Drehtisch für ein Koordinatenmessgerät, aufweisend:
- - einen Stator,
- - einen Rotor, der um eine Drehachse rotierbar ist,
- - zumindest ein Luftlager zur beweglichen Lagerung des Rotors an dem Stator, welches einen Druckluftspalt zwischen dem Rotor und dem Stator ausbilden kann, wobei das Luftlager mindestens eine Druckluftversorgungsleitung aufweist, über die Druckluft bereitgestellt wird,
- - eine Messeinrichtung zur Messung der Breite des Druckluftspaltes.
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Auf vorangehende Offenbarungen wird Bezug genommen. Eine Messeinrichtung wurde zuvor schon offenbart. Die Messeinrichtung ist insbesondere ein Abstandssensor oder eine Anordnung mehrerer Abstandssensoren. Die Messeinrichtung kann am Rand des Druckluftspalts angeordnet sein. Mit diesem Drehtisch sind vorangehend beschriebene Verfahren durchführbar.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben. Es zeigen:
- 1 einen erfindungsgemäßen Drehtisch,
- 2 einen Teil eines Luftlagers mit verschiedenen Luftlagerbereichen und
- 3 einen erfindungsgemäßen Verfahrensablauf.
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Der in 1 gezeigte Drehtisch 1 weist den Stator 2 und den Rotor 3 auf. Der Rotor 3 ist um die Drehachse D rotierbar.
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Der Rotor 3 ist an dem Stator 2 mittels des Luftlagers 4 gelagert. Zwischen dem Rotor 3 und dem Stator 4 sind der Druckluftspalt 5 (Spalt zwischen Bauteilen, der mit Druckluft gefüllt ist) und der Druckluftspalt 6 gebildet, wobei der Druckluftspalt 5 ein axialer Druckluftspalt ist bzw. ein Druckluftspalt einer Axiallagerung und der Druckluftspalt 6 ein Druckluftspalt der Radiallagerung ist.
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Über die Druckluftversorgungsleitung 7 wird Druckluft aus dem Kompressor 21 zur Verfügung gestellt. Von der Druckluftversorgungsleitung 7 wird Druckluft zu den Öffnungen 8, 9 transportiert und dort ausgeströmt, um den axialen Druckluftspalt 5 zu bilden. Öffnungen in Richtung des radialen Druckluftspalts 6 sind nicht gezeigt. Die Öffnungen 8, 9 können düsenförmig ausgebildet sein. Rund um die Drehachse D können weitere, hier nicht gezeigte Öffnungen vorhanden sein. In der gezeigten Ausführungsform ist oberhalb der Öffnungen 8, 9 eine poröse, ringförmige Graphitscheibe 10 angeordnet. Durch diese wird Druckluft hindurchgeströmt und durch die Poren des Graphits verteilt und von dort aus in den Spalt 5 eingeströmt.
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Statt der großflächigen Öffnungen 8 und 9 kann eine Vielzahl kleinerer Düsen zur Luftausströmung vorhanden sein, was in einer nachfolgenden Abbildung gezeigt ist.
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In 1 sind die Öffnungen 8, 9 über den gestrichelt dargestellten Kanal 11 miteinander verbunden, um die von der Druckluftversorgungsleitung 7 zugeführte Luft an alle Öffnungen 8, 9, sowie weitere nicht gezeigte Öffnungen, zu verteilen.
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In der Druckluftversorgungsleitung 7 ist das Ventil 12 angeordnet, über welches der Zufluss an Druckluft zu den Öffnungen 8, 9 eingestellt werden kann. Bei ansonsten unveränderten Bedingungen kann durch das Ventil 12 die Breite des Druckluftspalts 5 eingestellt werden. Wird das Ventil 12 geöffnet, so kann die an der Druckluftversorgungsleitung 7 anliegende Druckluft bzw. die vom Kompressor 21 bereitgestellte Druckluft in den axialen Zwischenraum zwischen Rotor 3 und Stator 2 strömen. Ist das Ventil 12 vollständig geöffnet, so liegt in dem Druckluftspalt 5 annähernd der gleiche Luftdruck vor wie der Versorgungsdruck, der von dem Kompressor 21 bereitgestellt wird und der zwischen Kompressor 21 und Ventil 12 in der Druckluftversorgungsleitung 7 anliegt. Wird das Ventil hingegen so eingestellt, dass der Strömungsquerschnitt der Druckluft durch das Ventil 12 verringert wird, kann bei gleichbleibendem Versorgungsdruck seitens des Kompressors 218 weniger Druckluft in den Spalt 5 fließen und der Luftdruck im Spalt 5 sinkt, sodass bei ansonsten gleichbleibenden Gewichts- bzw. Belastungsverhältnissen die Breite des Druckluftspalts, also der Abstand zwischen Rotor 3 und Stator 2 abnimmt. Entsprechend kann also mit dem Ventil 12 die Breite des Druckluftspalts 5 eingestellt werden.
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Kommt es während des Betriebs des Luftlagers 4 zu einer Veränderung der Bedingungen, beispielsweise durch Auflegen eines Werkstücks auf den Rotor 3, kann es bei gleichbleibender Druckluftversorgung zu einer Veränderung der Breite des Druckluftspalts 5 kommen.
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In 1 werden zwei verschiedene Möglichkeiten zur Ermittlung eines Betriebszustandes dargestellt. Zum einen sind auf Seiten des Stators Abstandssensoren 13 vorgesehen, mit denen die Breite des Druckluftspalts 5 bestimmt werden kann. Zum anderen ist ein Drucksensor 14 vorgesehen, der den Luftdruck in dem Druckluftspalt 5 misst, also den Luftdruck hinter dem Ventil 12, sowie ein Durchflusssensor 22
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Die Abstandssensoren 13 sowie der Drucksensor 14 und der Durchflusssensor 22 sind mit der Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung 15 verbunden. Diese Steuerungs-/Regelungseinrichtung 15 erhält Informationen über die von den Abstandssensoren 13 ermittelte Breite des Druckluftspalts 5 und/oder über den mit dem Drucksensor 14 gemessenen Druck in dem Druckluftspalt 5 und mit dem Durchflusssensor 22 gemessenen Durchfluss und kann auf Basis dieser Informationen die Einstellung des Ventils 12 verändern, um beispielsweise den Luftdruck in dem Druckluftspalt 5, den Durchfluss oder die Breite des Druckluftspalts 5 auf einen Sollwert einzustellen.
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Statt eines Einstellens eines Durchflusses der Druckluft mit dem Ventil 12 kann mittels einer in dem Kompressor 21 vorhandenen Druckstelleinrichtung der Versorgungsdruck, der aus dem Kompressor 21 geliefert wird, verstellt werden. Die Druckstelleinrichtung ist nicht näher gezeigt.
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Alternativ oder zusätzlich zu einem gezeigten Drucksensor
14 kann innerhalb der Druckluftversorgungsleitung
7 ein Durchflussmesser vorhanden sein, wie in
WO 2016/174254 ,
3 gezeigt.
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2 zeigt eine Draufsicht auf den Stator 2 bzw. dessen Luftlagerfläche 16. Der Blick des Betrachters fällt entlang der Drehachse D, die senkrecht zur Zeichnungsebene steht. Rund um die Drehachse D, konzentrisch um die Drehachse D, sind die Luftlagerbereiche 17a-g angeordnet und mit gestrichelten Kreisen umgrenzt. In jedem der Bereiche 17a-g ist eine Vielzahl Luftausströmdüsen 18 vorhanden, die nur anhand des Bereiches 17a beispielhaft eingezeichnet sind, aber bei den übrigen Bereichen 17b-g ebenso vorhanden sind. Die Luftausströmdüsen müssen keine extra angefertigten Düsen sein. Es kann sich um Poren eines Graphitmaterials handeln, die als Düsen wirken. Die Druckluftversorgung durch die Düsen 18 in einzelnen Luftlagerbereichen 17a-g ist getrennt regelbar. D.h. die in 1 noch gezeigte gemeinsame Regelung aller dortigen Öffnungen 8, 9 mit der Steuerungs-/Regelungseinrichtung 15 kann bei der Ausführungsform nach 2 getrennt nach Luftlagerbereichen 17a-g vorgenommen werden. Ferner kann für jeden der Luftlagerbereiche 17a-g eine eigene Druckluftversorgungsleitung 7 vorgesehen sein. D.h., eine Vielzahl Düsen 18 in dem Bereich 17a kann durch eine gemeinsame Druckluftversorgungsleitung 7, die nur diese Düsen bedient, gespeist werden. Entsprechendes gilt für die anderen Bereiche, bei denen die jeweils Vielzahl Düsen in einem Bereich durch eine eigene Druckluftversorgungsleitung 7 gespeist wird.
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Es kann für jeden der Bereiche 17a-g eine eigene Steuerungs-/Regelungs-einrichtung vorgesehen sein. Entsprechend kann in jedem Bereich 17a-g beispielsweise ein eigener Abstandssensor 13 vorgesehen sein. In jeder Druckluftversorgungsleitung für jeden der Bereiche kann ferner ein Drucksensor 14 vorgesehen sein, wie in 1 gezeigt.
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Nachfolgend wird ein erfindungsgemäßes Verfahren schrittweise erläutert, mit Bezug auf vorangehende Figuren.
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In Schritt S1 wird eine Gewichtskraft auf den Rotor 3 ausgeübt, durch Auflegen des Werkstücks 20, dessen Schwerpunkt S exzentrisch zur Drehachse D orientiert ist.
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In Schritt S2 wird mit dem Abstandssensor 13 die Breite des Druckluftspalts 5 ermittelt, die sich in Folge des Auflegens des Werkstücks 20 verringert. Alternativ oder zusätzlich wird mit dem Drucksensor 14 der Luftdruck in dem Luftdruckspalt gemessen. Alternativ oder zusätzlich kann ein Durchfluss der Druckluft zu dem Luftlager 4 bzw. in dem Spalt 5 gemessen werden.
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In Schritt S3 wird mit Hilfe der Steuerungs-/Regelungseinrichtung 15 der Durchfluss der Druckluft mit dem Ventil 12 eingestellt, um die Breite des Druckluftspalts 5 wieder auf den Ausgangswert (ohne Werkstück), der in diesem Fall der Sollwert ist, einzustellen.
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Anschließend kann in einem weiteren Schritt S4 der Rotor 3 um die Drehachse D rotiert werden, beispielsweise um eine Vermessung des Werkstücks 20 in einem Koordinatenmessgerät durchzuführen, beispielsweise mit taktiler Koordinatenmessung. Hierbei kann eine Verfahrensvariante angewandt werden, die mit einer Luftlagergestaltung gemäß Fig. 2 möglich ist. Da der Schwerpunkt S des Werkstücks 20 exzentrisch zur Drehachse D ist, wird die Breite des Druckluftspalts 5 immer in demjenigen der Luftlagerbereiche 17a-g verringert, indem sich der Schwerpunkt S des Werkstücks 18 gerade befindet. Dies kann jeweils mit einem Abstandssensor gemessen werden, der in dem jeweiligen Luftlagerbereich 17a-g angeordnet ist. Da sich die Breite des Luftlagerspalts zeitlich und örtlich ändert, werden die Schritte S2 und S3 fortlaufend wiederholt, was in der 3 angedeutet ist. In jedem der Luftlagerbereiche 17a-g erfolgt die Regelung mit Hilfe einer jeweils für den Bereich vorgesehenen Steuer-/Regelungseinrichtung 15 immer wieder von neuem.
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Ferner sind in 3 noch die zusätzlichen, dem Schritt S1 vorangehenden Verfahrensschritte S00 und S0 aufgeführt. In S00 wird der Durchfluss an Druckluft durch die Druckluftversorgungsleitung 7 durch Öffnen des Ventils 12 erhöht, und zwar im unbeladenen Zustand des Rotors 3. Die Magneten 19 erzeugen eine magnetische Anziehungskraft zwischen Rotor 3 und Stator 2. Dadurch wird eine übermäßige Breite des Druckluftspaltes 5 infolge der Erhöhung des Durchflusses oder Drucks der Druckluft verhindert. Das Lager ist nun für eine starke dynamische Belastung, beispielsweise durch Auflegen eines Werkstücks, vorbereitet.
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Anschließend wird in Schritt S0 das Werkstück 18 aufgelegt. Anschließend werden mit der Steuerungs-/Regelungseinrichtung 15 die Breite des Druckluftspalts 5 sowie der Luftdruck in dem Druckluftspalt und/oder der Durchfluss der Druckluft zu dem Luftlager 4 auf Sollwerte eingeregelt, die den gewünschten Betriebszustand abbilden.
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Anhand der 2 kann noch eine weitere Verfahrensvariante erläutert werden. Wird der Drehtisch 1 aus 1 so orientiert, dass die Drehachse D horizontal steht, so wird durch das Werkstück 20 (das dann durch nicht gezeigte Einspannmittel festgehalten wird) ein Kippmoment auf die Drehachse D bzw. den Rotor 3 ausgeübt. Beispielsweise ist die Drehachse D so orientiert, dass der Luftlagerbereich 17f oberhalb der Drehachse D angeordnet ist und die Luftlagerbereiche 17b und 17c unterhalb der Drehachse D angeordnet sind. Das Kippmoment durch das Werkstück 20 wirkt nach unten, d.h. der Rotor 2 wird nach unten gekippt. Um dieser Kippung entgegenzuwirken, kann in den Luftlagerbereichen 17b und 17c der Durchfluss oder der Druck der Druckluft erhöht werden und in dem Luftlagerbereich 17f der Durchfluss oder der Druck verringert werden. Hierdurch wird der Kippbewegung entgegengewirkt und ein gleichmäßig breiter Druckluftspalt 5 ermöglicht.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Drehtisch
- 2
- Stator
- 3
- Rotor
- 4
- Luftlager
- 5
- Druckluftspalt
- 6
- Druckluftspalt
- 7
- Druckluftversorgungsleitung
- 8, 9
- Öffnungen
- 10
- Graphitscheibe
- 11
- Kanal
- 12
- Ventil
- 13
- Abstandssensor
- 14
- Drucksensor
- 15
- Steuer-/Regelungseinrichtung
- 16
- Luftlagerfläche
- 17a-g
- Luftlagerbereiche
- 18
- Luftstromdüsen
- 19
- Magnete
- 20
- Werkstück
- 21
- Kompressor
- 22
- Durchflusssensor
- D
- Drehachse
- S
- Schwerpunkt
- S00
- Verfahrensschritt
- S0
- Verfahrensschritt
- S1
- Verfahrensschritt
- S2
- Verfahrensschritt
- S3
- Verfahrensschritt
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10006876 C1 [0005]
- WO 2010/054767 A1 [0006]
- WO 2016/174254 A1 [0007]
- WO 2016/174254 [0083]
