DE10209776B3 - Fluid-Drehlager und Koordinaten-Messgerät - Google Patents

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Eckhard Enderle
Peter Aehnelt
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Abstract

Ein Fluid-Drehlager weist eine Drehachse (34), ein als Stator (50) ausgebildetes erstes Lagerelement und ein als Rotor (52) ausgebildetes zweites Lagerelement auf. Stator (50) und Rotor (52) stehen einander mit mindestens einer Statorfläche (60, 90) bzw. mindestens einer Rotorfläche (62, 92) gegenüber. Die Flächen (60/62, 90/92) schließen zwischen sich einen Spalt (64, 94) ein. Mindestens eine der Flächen (60, 90) ist als Membran (66, 96) mit einem Rand (67, 97) ausgebildet. Es sind Mittel (72-80, 102) vorgesehen, um ein Fluid mit einem in Abhängigkeit von einer auf das Drehlager (36) einwirkenden Last (104) vorbestimmbaren ersten Druck durch die Membran (66, 96) hindurch in den Spalt (64, 94) einzubringen. Die Membran (66, 96) ist mit ihrem zugehörigen Lagerelement (50) über im Abstand von ihrem Rand (67, 97) angeordnete Stützen (70a, 70b, 100a, 100b) verbunden. Die Stützen (70a, 70b, 100a, 100b) schließen zusammen mit der Membran (66, 96) und dem Lagerelement (50) einen Raum (68, 98) ein. Der Raum (68, 98) ist mit einem zweiten Druck beaufschlagt, der wesentlich geringer als der erste Druck ist (Fig. 2).

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Fluid-Drehlager, mit einer Drehachse, mit einem als Stator ausgebildeten ersten Lagerelement und mit einem als Rotor ausgebildeten zweiten Lagerelement, wobei Stator und Rotor einander mit mindestens einer Statorfläche bzw. mindestens einer Rotorfläche gegenüberstehen und die Flächen zwischen sich einen Spalt einschließen, wobei ferner mindestens eine der Flächen als Membran mit einem Rand ausgebildet ist und Mittel vorgesehen sind, um ein Fluid mit einem ersten Druck, der vorzugsweise in Abhängigkeit von einer auf das Drehlager einwirkenden Kraft vorbestimmbar ist, durch die Membran hindurch in den Spalt einzubringen.
  • Ein Fluid-Drehlager der vorstehend genannten Art ist aus der CH 604 033 bekannt.
  • Die Erfindung betrifft ferner ein Koordinaten-Meßgerät mit einem Meßtisch, einem in den Meßtisch eingebauten Rundtisch mit einer Drehachse zum Drehen von zu vermessenden Werkstücken relativ zu einem Meßtaster, einem im Rundtisch angeordneten Rundtischlager für das Werkstück mit einem als Stator ausgebildeten ersten Lagerelement und mit einem als Rotor ausgebildeten zweiten Lagerelement, wobei Stator und Rotor einander mit mindestens einer Statorfläche bzw. mindestens einer Rotorfläche gegenüberstehen und die Flächen zwischen sich einen Spalt einschließen, und mit Mitteln, um ein Fluid mit einem ersten Druck, der vorzugsweise in Abhängigkeit von einer auf das Drehlager einwirkenden Last vorbestimmbar ist, in den Spalt einzubringen.
  • Ein Koordinaten-Meßgerät der vorstehend genannten Art ist bekannt.
  • In der bereits erwähnten CH 604 033 A ist eine Mehrzahl unterschiedlicher Fluidlager beschrieben, die als Gleitlager oder als Drehlager ausgebildet sind. Bei einer ersten beschriebenen Gruppe von Beispielen (1 bis 6) sind die Lager als Gleitlager ausgebildet. Ein im wesentlichen kreiszylindrisches bewegliches Lagerelement ist an seiner Unterseite mit einer Membran versehen, die einen im Lagerelement befindlichen Hohlraum abschließt. Die Membran ist mit einer zentralen Öffnung versehen. In den Hohlraum ist ein Fluid einleitbar, wodurch in dem Hohlraum ein Druck eingestellt werden kann, der in Abhängigkeit von einer auf das Gleitlager einwirkenden vertikalen Lagerlast vorbestimmbar ist. Das Gleitlager gleitet dann nach Art eines Luftkissenfahrzeugs über eine ebene Statorfläche, weil das durch die zentrale Öffnung in der Membran ausströmende Fluid ein Fluidkissen zwischen der Membran und der Statorfläche bildet. Infolge der sich einstellenden Druckverhältnisse wölbt sich die Membran dabei nach innen in den Hohlraum hinein, so daß eine Selbstkompensation der Luftspaltbreite stattfindet, die an sich durch die einwirkende Lagerlast verringert würde, aber durch die Wölbung der Membran wieder vergrößert wird. Bei einem der in diesem Zusammenhang beschriebenen Beispiel (6) wird das Fluid direkt der zentralen Öffnung in der Membran zugeleitet, während der dahinter liegende Hohlraum sich auf Atmosphärendruck befindet.
  • Bei einer weiteren Gruppe von beschriebenen Beispielen (1 bis 17) sind die Lager als Axial-Drehlager ausgebildet. Der Rotor ist dabei mit radialen Lagerflächen versehen, dem radiale Lagerflächen des Stators über einen Spalt hinweg gegenüberstehen. Dabei können die radialen Lagerflächen des Stators auch als Membranen ausgebildet sein (17), in denen sich mehrere Öffnungen zum Durchtritt des Fluids befinden, die auf einer Kreislinie um die Drehachse herum angeordnet sind. Die hinter den kreisringförmigen Membranen angeordneten Hohlräume befinden sich dabei auf dem Druck des Fluids.
  • Schließlich sind in dieser Schrift auch Ausführungsbeispiele (21 bis 24) beschrieben, in denen die durch eine Membran gebildete Lagerfläche eines Stators die Form einer Kugelkalotte aufweist. Hier ist alternativ der Hohlraum hinter der Membran mit dem Druck des Fluids beaufschlagt (22) oder befindet sich auf Atmosphärendruck (23).
  • Aus der DE 33 43 470 A1 ist ein Gasdrucklager bekannt. Bei diesem bekannten Gasdrucklager handelt es sich um ein im wesentlichen zylinderförmiges Gleitlager der grundsätzlich bereits beschriebenen Art, das also nach Art eines Luftkissenfahrzeugs über eine ebene Statorfläche gleitet. Das bekannte Gasdrucklager wird bevorzugt zur Lagerung von Portalen bei Mehrkoordinatenmeßmaschinen eingesetzt.
  • Bei diesem bekannten Gasdrucklager wird eine Erhöhung der Steifigkeit des Lagers dadurch erreicht, daß die der Statorfläche gegenüberliegende Membran des beweglichen Lagerelementes nicht an ihrem Rand mit dem Gehäuse verbunden ist, sondern vielmehr an ihren Rändern frei auskragt. Gehalten wird die Membran durch einen ringförmigen Steg, der sich etwa auf halbem Radius der im wesentlichen kreisförmigen Membran befindet und die Funktion eines Kipplagers aufweist. Auch bei diesem bekannten Gasdrucklager wird das Fluid über eine zentrale Öffnung in der Membran hindurch in den Spalt zwischen dem beweglichen Lagerelement und der Statorfläche geführt. Dies geschieht auf einem abgedichteten Wege, so daß sich der Raum hinter der Membran auf Atmosphärendruck befindet.
  • Bei Einwirken einer Lagerlast und entsprechender Einstellung des Fluiddrucks wölbt sich auch bei diesem bekannten Gasdrucklager die Membran in der Mitte nach innen (d.h. bei üblicher Einbaulage nach oben), während sich die Ränder jedoch nach außen, d.h. nach unten vorwölben. Dies führt im Vergleich zu einem entsprechenden Gasdrucklager gemäß der oben beschriebenen CH 604 033 bei gleicher Membranfläche zu einer höheren Steifigkeit. Das Konzept dieses Gasdrucklaqers mit im Abstand von ih rem Rand gehaltener Membran ist jedoch auf Gleitlager beschränkt.
  • Aus der DE 36 37 410 C2 ist ein Mehrkoordinaten-Meßgerät in Portalbauweise beschrieben, das mit einem Rundtisch zum Drehen von zu vermessenden Werkstücken versehen ist. Über die Bauart des Rundtischs ist im einzelnen nichts angegeben, es ist jedoch bei Rundtischen für Mehrkoordinaten-Meßgeräte bekannt, Luftlager einzusetzen. Diese Luftlager besitzen starre Lagerflächen mit einem parallelen oder einem konischen Luftspalt. Die Luftzufuhr erfolgt dabei über Düsen und Verteilungskanäle oder direkt über eine poröse Lagerfläche.
  • Um dabei sowohl radiale wie auch axiale Lagerkräfte aufnehmen zu können, ist es bekannt, eine Kombination aus einem Radiallager in Form eines Zylinders und eines Axiallagers als ringförmiges, ebenes Lager vorzusehen. Es ist jedoch auch bekannt, sogenannte Kalottenlager einzusetzen, bei denen eine Lagerfläche von kugelkalottenförmiger Gestalt sowohl radiale wie auch axiale Kräfte aufnehmen kann.
  • Bei Rundtischen für Mehrkoordinaten-Meßgeräte ist von zentraler Wichtigkeit, daß die verwendeten Lager, also auch die Drehlager für die Rundtische, extrem hohe Lagergenauigkeiten aufweisen. In diesem Zusammenhang sind Rund- und Planlaufabweichungen von weniger als 0,1 um bekannt.
  • Die bekannten Drehlager für Rundtische besitzen jedoch eine geringe Steifigkeit und damit eine geringe Belastbarkeit und somit auch nur ein geringes zulässiges Kippmoment.
  • Bei dem Anwendungsfall in einem Rundtisch eines Mehrkoordinaten-Meßgerätes ist ferner zu beachten, daß erhebliche axiale Belastungen auftreten können, wenn sehr schwere Werkstücke vermessen werden sollen. So müssen derartige Lager typischerweise für Belastungen zwischen 0 und 10 kN ausgelegt werden. Innerhalb dieses Lastbereiches sollte die effektive Veränderung der Vertikallage des Rotors, die sich als Differenz der Lagerabsenkung infolge der einwirkenden Last und des Lagerhubs infolge des zugeführten Fluids darstellt, möglichst gering sein.
  • Es ist weiterhin bekannt, Drehlager für Rundtische in der entscheidenden axialen Belastungsrichtung zur Erhöhung der Steifigkeit vorzuspannen. Auf diese Weise wird eine Lagerlast erzeugt, um das eigentliche Axiallager im Bereich der größten Luftlagersteifigkeit betreiben zu können.
  • Bei einer ersten bekannten Variante eines solchen Drehlagers werden zwei einander in Axialrichtung gegenüberliegende Einzellager verwendet, die mechanisch gegeneinander verspannt bzw. vorgespannt werden.
  • Es ist jedoch in der Lagertechnik allgemein bekannt, die Vorspannkraft separat aufzubringen, beispielsweise durch Magnete. In der US 4 798 478 ist ein Gleit-Luftlager beschrieben, bei dem ebenfalls ein bewegliches Lagerelement über eine ebene Statorfläche gleitet und zwischen diesen beiden Lagerelementen sich ein Luftspalt befindet, in den Druckluft eingeleitet wird. Dies geschieht bei diesem bekannten Luft-Gleitlager über kalottenförmige Verteilerelemente im beweglichen Lagerelement, die eine Verteilung der zugeführten Druckluft auf einen Ringspalt in der Lagerfläche des beweglichen Lagerelementes bewirken.
  • Um dieses Lager vorzuspannen, ist bei zwei Ausführungsbeispielen (11 und 12) vorgesehen, Permanentmagnete in der Lagerfläche des beweglichen Lagerelementes vorzusehen, die eine Anziehung des beweglichen Lagerelementes an die ebene Statorfläche bewirken und damit dem Einfluß der Druckluft entgegenwirken. Die Magnete sind jedoch in der Lagerfläche im Abstand von den Austrittsstellen der Druckluft angeordnet, so daß insgesamt ein relativ voluminöser Aufbau entsteht.
  • Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, ein Fluid-Drehlager sowie ein Koordinaten-Meßgerät der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, daß die Genauigkeit und die Belastbarkeit des Drehlagers bzw. eines in dem Koordinaten-Meßgerät verwendeten Rundtischlagers erhöht wird. Die hohe Genauigkeit der in diesem Zusammenhang bekannten Fluid-Drehlager soll dabei erhalten bleiben, jedoch um eine sehr hohe Lagersteifigkeit ergänzt werden, um auf diese Weise eine Anwendbarkeit in einem weiten Lastbereich bei hohem zulässigem Kippmoment zu gewährleisten.
  • Bei einem Fluid-Drehlager der eingangs erwähnten Art wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Membran mit ihrem zugehörigen Lagerelement über im Abstand von ihrem Rand angeordnete Stützen verbunden ist, daß die Stützen zusammen mit der Membran und dem Lagerelement einen Raum einschließen, und daß der Raum mit einem zweiten Druck beaufschlagt ist, der wesentlich geringer als der erste Druck ist.
  • Bei einem Koordinaten-Meßgerät der eingangs genannten Art wird die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß mindestens eine der Flächen als Membran mit einem Rand ausgebildet ist, daß die Membran mit ihrem zugehörigen Lagerelement über im Abstand von ihrem Rand angeordnete Stützen verbunden ist, daß die Stützen zusammen mit der Membran und dem Lagerelement einen Raum einschließen, und daß der Raum mit einem zweiten Druck beaufschlagt ist, der wesentlich geringer als der erste Druck ist.
  • Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird auf diese Weise vollkommen gelöst.
  • Durch die Verwendung von randseitig nicht eingespannten Membranen wird nämlich erfindungsgemäß eine gegenüber herkömmlichen Drehlagern deutlich erhöhte Steifigkeit erzielt, wie sie bislang nur für Gleitlager, nicht jedoch für Drehlager, erzielbar schien. So ermöglicht es ein erfindungsgemäßes Lager, in einem Axiallast-Bereich zwischen 0 und 10 kN eine axiale Steifigkeit von mehr als 1,5 kN/um zu erzielen, wobei mittlerweile bei einem mit einem erfindungsgemäßen Fluid-Drehlager ausgerüsteten Rundtisch eines Koordinaten-Meßgerätes eine effektive Absenkung des Rundtischs von weniger als 2 um über einen Lastbereich zwischen 0 und 10 kN erreicht werden konnte. Dies war mit herkömmlichen Lagerkonfigurationen nicht möglich.
  • Zwar waren Gasdrucklager mit randseitig nicht-eingespannter Membran aus der weiter vorne ausführlich gewürdigten DE 33 43 470 A1 bekannt, für den Fachmann war aber über einen sehr langen Zeitraum hinweg nicht vorhersehbar, daß dieses ausschließlich für Gleitlager bekannte Konzept auch für Rundlager einsetzbar ist. Bei dieser Lagerkonfiguration tritt nämlich eine hochkomplizierte Verformung der in etwa auf halbem Umfang eingespannten Membran ein, die bei den bekannten Gleitlagern kreisförmig ausgebildet ist, so daß unter Lasteinwirkung die zunächst ebene Membran in eine leicht eingewölbte Form übergeht. Bei einem Drehlager sind die Bedingungen jedoch anders, weil dort im Falle einer radialen Lagerfläche für ein Axiallager die Lagerfläche kreisringförmig und im Falle einer axialen Lagerfläche für ein Radiallager sogar zylindrisch ist. Die sich dabei einstellenden Verformungsvorgänge sind noch weit komplizierter und ließen sich für den Fachmann nicht vorhersehen. Insbesondere war nicht vorhersehbar, daß mit einer solchen Konfiguration die bereits erwähnten exzellenten Lagercharakteristiken erzielt werden können.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Fluid-Drehlagers ist der zweite Druck Atmosphärendruck.
  • Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß eine separate Drucksteuerung im Raum hinter der Membran entfällt und gleichzeitig eine hohe Druckdifferenz zwischen beiden Seiten der Membran besteht.
  • Weiterhin ist bevorzugt, wenn eine Mehrzahl von Öffnungen entlang einer Kreislinie angeordnet ist, die sich in der Mitte der Membran befindet.
  • Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß das Fluid in gleichförmiger Weise dem torusförmigen Spalt zugeführt werden kann.
  • Bei einer ersten Gruppe von Ausführungsbeispielen der Erfindung ist die als Membran ausgebildete Fläche eine Radialfläche, die im wesentlichen kreisringförmig gestaltet ist und bei Einwirkung einer axial gerichteten Kraft die Gestalt einer ringförmigen Wanne annimmt.
  • Bei einer weiteren Gruppe von Ausführungsbeispielen ist die Membran hingegen als Axialfläche ausgebildet, die im wesentlichen zylinderförmig gestaltet ist und bei Einwirkung einer radial gerichteten Kraft die Gestalt eines gewölbten Rohres annimmt .
  • Vor allem bevorzugt ist jedoch eine Bauform, bei der das Fluid-Drehlager sowohl eine Radialfläche als auch eine Axialfläche aufweist, die jeweils als Membranen ausgebildet sind und die vorerwähnten Eigenschaften haben.
  • Diese Maßnahmen haben den Vorteil, daß ein in allen Richtungen abgestütztes Lager mit hoher Steifigkeit und hoher Präzision zur Verfügung gestellt wird.
  • Bei einer anderen Gruppe von Ausführungsbeispielen ist die als Membran ausgebildete Fläche eine Kalottenfläche, insbesondere eine Kugelkalottenfläche, obwohl auch andere Kalottenformen wie Rotationsellipsoide und Rotationsparaboloide einsetzbar sind.
  • Eine besonders gute Wirkung wird mit der Erfindung dann erzielt, wenn die als Membran ausgebildete Fläche eine Statorfläche ist.
  • Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß die Zuführung des Fluids einfacher gestaltet werden kann, weil – auch insoweit anders als bei Gleitlagern – ein Drehlager eine Rotation des Rotors um typischerweise mehrere Umdrehungen zuläßt, so daß eine Fluidzufuhr zu dem rotierenden Teil nur schwierig möglich ist und das Risiko birgt, daß durch Verwendung von Drehkupplungen oder dgl. positive Lagereigenschaften wieder verlorengehen.
  • In der Praxis wird ferner bevorzugt, wenn das Fluid ein Gas, insbesondere Luft, ist.
  • Bei einer weiteren bevorzugten Gruppe von Ausführungsbeispielen der Erfindung ist mindestens eine der Flächen mit mindestens einem Magneten versehen, wobei der mindestens eine Magnet auf die der mindestens einen Fläche gegenüberliegende Fläche eine anziehende Kraft ausübt.
  • Diese an sich im Stand der Technik bekannte Maßnahme hat den bereits erwähnten Vorteil, daß durch diese Vorspannung des Lagers die Steifigkeit des Lagers weiter erhöht werden kann.
  • Insbesondere wird dabei bevorzugt, wenn eine Mehrzahl von Magneten um die Drehachse herum verteilt angeordnet ist.
  • Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß die Vorspannkraft gleichförmig verteilt werden kann.
  • Dies gilt insbesondere dann, wenn in Weiterbildung des vorstehend genannten Ausführungsbeispiels die Magnete jeweils paarweise entlang zweier konzentrischer Kreisringe angeordnet sind.
  • Innerhalb dieser Gruppe von Ausführungsbeispielen ist weiter bevorzugt, wenn die der Membran gegenüberliegende Fläche mit dem mindestens einen Magneten versehen ist, wobei der mindestens eine Magnet eine anziehende Kraft auf die Membran ausübt.
  • Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß die Membran selbst nicht mit Magneten versehen zu werden braucht und sich damit ungestört verformen kann.
  • Weiterhin ist bevorzugt, wenn der mindestens eine Magnet derart angeordnet ist, daß die anziehende Kraft eine in Schwerkraftrichtung weisende Komponente aufweist.
  • Diese an sich bekannte Maßnahme hat den Vorteil, daß auf diese Weise das Lager in der Richtung vorgespannt werden kann, in der es beispielsweise bei Verwendung in einem Rundtisch eines Koordinaten-Meßgeräts durch das Eigengewicht des zu vermessenden Werkstücks belastet wird.
  • Zu diesem Zwecke ist es weiter bevorzugt, wenn der mindestens eine Magnet in eine Radialfläche eingebaut ist und die anziehende Kraft in Schwerkraftrichtung weist.
  • Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist besonders bevorzugt, wenn der mindestens eine Magnet derart positioniert ist, daß er der ihm gegenüberliegenden Membran in einem Bereich gegenübersteht, der sich bei Einwirken einer im wesentlichen in Schwerkraftrichtung gerichteten Kraft von dem mindestens einen Magneten wegbewegt.
  • Diese Maßnahme hat im Zusammenhang mit der erfindungsgemäß verwendeten Bauart von randseitig nicht-eingespannten Membranen den großen Vorteil, daß die Vorspannwirkung der Magneten im wesentlichen auf die Situation beschränkt wird, in der das Lager noch nicht oder nur gering belastet ist. Sobald sich nämlich die Lagerlast erhöht und damit auch der Fluiddruck erhöht wird, bewegt sich ein Abschnitt der sich verformenden Membran zunehmend von dem Magneten weg, so daß die durch den Magneten auf die Membran ausgeübte Anziehungskraft sich ebenfalls vermindert.
  • Dies ist bei den erfindungsgemäß verwendeten Konfigurationen vor allem dann der Fall, wenn der Bereich sich im wesentlichen auf der dem Rand gegenüberliegenden Seite der Stütze befindet.
  • Weitere Vorteile ergeben sich aus der Beschreibung der beigefügten Zeichnung.
  • Es versteht sich, daß die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
  • 1 eine äußerst schematisierte Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels eines Koordinaten-Meßgeräts mit einem Rundtisch;
  • 2 in stark vergrößertem Maßstab und im Schnitt eine Seitenansicht durch ein Teil eines erfindungsgemäßen Fluid-Drehlagers mit einer radialen und einer axialen Lagerfläche, wie es bevorzugt in dem Rundtisch des Koordinaten-Meßgeräts gemäß 1 eingesetzt wird;
  • 3 eine Darstellung, ähnlich 2, jedoch für eine andere Bauform eines Fluid-Drehlagers mit kalottenförmiger Lagerfläche.
  • In 1 bezeichnet 10 insgesamt ein Koordinaten-Meßgerät in Portalbauweise. Ein Tisch 12 des Koordinaten-Meßgeräts 10 steht auf einem Boden 14. Auf dem Tisch 12 ist ein Portal 16 angeordnet, das mittels Führungen 18 entlang einer horizontalen Achse verfahrbar ist, die üblicherweise als y-Achse bezeichnet wird.
  • Auf einem oberen Querbalken 20 des Portals 16 läuft ein Schlitten 22, der in Richtung eines Pfeils 24 verfahrbar ist. Dieser Pfeil 24 symbolisiert eine zweite horizontale Achse, die üblicherweise als x-Achse bezeichnet wird.
  • In dem Schlitten 22 läuft wiederum eine Pinole 26 in Vertikalrichtung, wie mit einem Pfeil 28 angedeutet ist, der eine dritte Achse, die sogenannte z-Achse, kennzeichnet. Am unteren Ende der Pinole 26 befindet sich ein Taststift 30, mit dessen freiem Ende ein Meßobjekt abgetastet und damit vermessen werden soll, indem die vorstehend genannten Elemente 16, 22 und 26 in y-, x- und z-Richtung verfahren werden.
  • Auf dem Tisch 12 befindet sich ferner ein Rundtisch 32 mit einer Hochachse 34. Der Rundtisch 32 ist mit einem Rundtischlager 36 versehen, dessen Rotor um die Hochachse 34 verdrehbar ist, wie mit einem Pfeil 38 angedeutet. Auf dem Rotor des Rundtischlagers 36 ist ein Werkstück 40 befestigt, dessen Oberfläche 42 mit dem freien Ende des Taststiftes 30 abgetastet werden soll.
  • 2 zeigt in einer Schnittdarstellung Einzelheiten des Rundtischlagers 36.
  • Das Rundtischlager 36 weist einen mit dem Tisch 12 starr verbundenen Stator 50 sowie einen relativ zum Stator 50 um die Hochachse 34 verdrehbaren Rotor 52 auf. Zwischen Stator 50 und Rotor 52 befindet sich ein Lagerbereich 54. Der Lagerbereich 54 unterteilt sich in einen Axiallager-Teil 56 sowie einen Radiallager-Teil 58.
  • Der Axiallager-Teil 56 umfaßt eine erste Radialfläche 60 am Stator 50 sowie eine zweite Radialfläche 62 am Rotor 52, wobei die Flächen 60 und 62 zwischen sich einen ersten Luftspalt 64 einschließen. Wenn insoweit im Rahmen der vorliegenden Anmeldung von "Luftspalt" die Rede ist, so steht dies nur beispielhaft für einen Spalt, in dem sich auch ein anderes Medium als Luft, also ein gasförmiges oder ein flüssiges Medium, befinden kann.
  • Die erste Radialfläche 60 wird durch eine erste Membran 66 gebildet, die in der Draufsicht kreisringförmig ist und deren Außenrand mit 67a und deren Innenrand mit 67b bezeichnet ist.
  • Auf der Rückseite der ersten Membran 66 befindet sich ein erster Luftraum 68, der mit einem geringen Druck beaufschlagt ist. Der erste Luftraum 68 ist vorzugsweise über eine Leitung (nicht dargestellt) mit der Atmosphäre verbunden.
  • Die erste Membran 66 wird vom Stator 50 über zwei Stege 70a, 70b getragen, die in der Draufsicht ebenfalls kreisringförmig ausgebildet sind. Die Stege 70a, 70b befinden sich im Abstand von den Rändern 67a, 67b. Sie haben mechanisch gesehen die Funktion eines Kipplagers, um die herum sich die erste Mem bran 66 verkippen kann, wenn sie sich infolge bestimmter Druckverhältnisse verformt, wie noch erörtert werden wird.
  • 2 zeigt einen Kanal 72, der zu einer Öffnung 73 in der ersten Membran 66 führt. In der Draufsicht sind vorzugsweise wiederum mehrere Öffnungen 73 auf einem Kreis verteilt, der sich um die Hochachse 34 herum erstreckt. Der Kanal 72 ist an einen Versorgungskanal 74 angeschlossen, der wiederum zu einem Anschluß 76 an der Außenseite des Stators 50 führt. Dort ist mit 78 ein Pfeil zu erkennen, der eine Luftversorgung andeuten soll.
  • Im ersten Luftraum 68 ist die mittige Position, an der der Kanal 72 in die Öffnung 73 übergeht, mittels einer elastischen Dichtung 80 abgedichtet, so daß Druckluft (oder ein anderes Fluid) nicht aus dem Kanal 72 in den ersten Luftraum 68 eindringen kann.
  • In der zweiten Radialfläche 62, d.h. im Rotor 52, sind Dauermagnete 84a, 84b angeordnet. Diese Dauermagnete 84a, 84b befinden sich beidseits der Öffnung 73 und vorzugsweise innerhalb des von den Stegen 70a, 70b begrenzten Innenbereichs der ersten Membran 66. Auch hier gilt in der Draufsicht, daß eine Mehrzahl von Paaren von Dauermagneten 84a, 84b über den Umfang der ersten Membran 66 verteilt angeordnet sind.
  • In 2 sind mit 86 Feldlinien der Dauermagnete 84a, 84b angedeutet. Die Feldlinien durchdringen die erste Membran 66, so daß eine Anziehungskraft auf die erste Membran 66 ausgeübt wird.
  • Im Radiallager-Teil 58 des Rundtischlagers 36 erkennt man in analoger Weise eine erste Axialfläche 90 am Stator 50 sowie eine zweite Axialfläche 92 am Rotor 52. Die Flächen 90, 92 haben jeweils zylindrische Gestalt. Sie schließen zwischen sich einen zweiten Luftspalt 94 ein.
  • Die erste Axialfläche 90 des Stators 50 ist als zweite Membran 96 mit Rändern 97a, 97b ausgebildet. Hinter der zweiten Membran 96 befindet sich wiederum ein zweiter Luftraum 98, der sich auf niedrigem Druck, besonders auf Atmosphärendruck, befindet. Die zweite Membran 96 wird von Stegen 100a, 100b gehalten, die sich im Abstand von den Rändern 97a, 97b befinden. Die Stege 100a, 100b haben im wesentlichen die Form von Kreisringen, die sich um die Hochachse 34 herum erstrecken, und sie dienen gleichfalls als Kipplager für die zweite Membran 96.
  • Der Versorgungskanal 74 führt unmittelbar zum zweiten Luftraum 98, von dem er jedoch über eine Dichtung 102 abgedichtet ist. Er setzt sich dann zu einer Öffnung 103 fort, die sich vorzugsweise mittig in der zweiten Membran 96 befindet. Auch hier gilt, daß eine Mehrzahl derartiger Öffnungen 103 über den Umfang der zweiten Membran 96 verteilt angeordnet sein können.
  • Die Wirkungsweise des Rundtischlagers 36 gemäß 2 ist wie folgt:
    Im Ruhezustand liegt der Rotor 52 auf dem Stator 50 auf, so daß sich die Radialflächen 60 und 62 berühren. Dies liegt zum einen am Eigengewicht des Stators 50, zum anderen aber auch an der Anziehungskraft der Dauermagnete 84a, 84b.
  • Wenn nun Druckluft über den Anschluß 76 in den Versorgungskanal 74 eingeleitet werden kann, strömt diese durch den Versorgungskanal 74 und den Kanal 72 zu den Öffnungen 73 und 103, mit der Folge, daß sich in beiden Luftspalten 64 und 94 ein Druck aufbaut.
  • Dieser Druck muß zunächst nur so groß sein, daß der Rotor 52 vom Stator 50 abgehoben wird. Dabei muß dann nicht nur das Eigengewicht des Rotors 52 überwunden werden, sondern auch die Anziehungskraft der Dauermagnete 84a, 84b. Dies stellt eine Vorspannung des Rundtischlagers 36 in Axialrichtung, d.h. in Richtung der Hochachse 34, dar.
  • Wenn nun zusätzlich auf das Rundtischlager 36 eine axiale Lagerlast einwirkt, wie bei 104 mit einem Pfeil angedeutet, muß der Druck im ersten Luftspalt 64 erhöht werden. Dies hat zur Folge, daß die erste Membran 66 sich in der Mitte, d.h. um die Öffnung 73 herum, nach unten auswölbt, während sich die Bereiche an den Rändern 67a, 67b nach oben wölben, da die Stege 70a, 70b als Kipplager wirken. Damit wird die Breite des ersten Luftspalts 64 in der Mitte vergrößert und am Rand verkleinert. Die Anordnung ist dabei so getroffen, daß sich effektiv der Abstand zwischen Stator 50 und Rotor 52 tendenziell vergrößert, wobei eine sich erhöhende Lagerlast 104 diesem Effekt entgegenwirkt und damit eine Selbstkompensation eintritt.
  • Die durch die Dauermagnete 84a, 84b ausgeübte Vorspannung vermindert sich jedoch mit zunehmender Lagerlast 104, weil sich der Luftspalt im Bereich der Dauermagnete 84a, 84b bei zunehmender Lagerlast 104, damit zunehmendem Druck im ersten Luftspalt 64 und sich daraus ergebender zunehmender Durchbie gung der ersten Membran 66 vergrößert. Dies hat zur Folge, daß infolge des sich vergrößernden Abstandes zwischen den Dauermagneten 84a, 84b und der ersten Membran 66 die Anziehungskraft abnimmt.
  • Im Radiallager-Teil 58 sind die Verhältnisse weniger kompliziert, weil dort nur den wesentlich geringeren radialen Kräften entgegengewirkt werden muß.
  • Das Rundtischlager 36 kann in diesem Betriebszustand bei einer bestimmten einwirkenden Lagerlast 104 reibungsfrei gedreht werden. Die effektive Absenkung des Stators 50 auf den Rotor 52 kann durch die vorstehend beschriebene Konfiguration extrem klein gehalten werden, wozu sowohl die Ausbildung der ersten Radialfläche 60 in Form der ersten Membran 66 beiträgt wie auch die Vorspannung mittels der Dauermagneten 84a, 84b. Insoweit handelt es sich um voneinander unabhängige Effekte, die sich jedoch in zweckmäßiger Weise ergänzen, insbesondere wenn man die beschriebene Veränderung der relativen Position der Elemente zueinander mit berücksichtigt.
  • Bei dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel hat ein Lager 106, beispielsweise also wiederum ein Rundtischlager, eine kugelkalottenförmige Ausbildung.
  • Das Lager 106 ist um eine Hochachse 108 drehbar. Es weist einen Stator 110 sowie einen Rotor 112 auf, die miteinander einen gemeinsamen Lagerbereich 114 bilden. Dieses ist als Kalottenlager 116 ausgebildet, wobei es bevorzugt die Form einer Kugelkalotte hat, aber auch andere Kalottenformen (Rotationsellipsoid, Rotationsparaboloid) denkbar sind.
  • Innerhalb des Kalottenlagers 116 stehen sich eine erste Kalottenfläche 118 am Rotor 112 und eine zweite Kalottenfläche 120 am Stator 110 gegenüber. Diese Flächen 118, 120 schließen miteinander einen Luftspalt 122 ein.
  • Die statorseitige Kalottenfläche 120 ist als Membran 124 ausgebildet, deren Ränder mit 125a, 125b bezeichnet sind. Hinter der Membran 124 befindet sich wiederum ein Luftraum 126, der sich auf niedrigem Druck, vorzugsweise Atmosphärendruck, befindet.
  • Die Membran 124 ist im Abstand von ihren Rändern 125a, 125b über Stege 128a, 128b mit dem Stator 110 verbunden.
  • Ein Versorgungskanal 130 führt einer Öffnung 131 in der Mitte der Membran 124 Druckluft zu. Der Versorgungskanal 130 steht mit einem Anschluß 132 in Verbindung, der seinerseits an eine Luftversorgung (Pfeil 134) angeschlossen ist.
  • Auch hier ist eine Dichtung 136 vorgesehen, die den Luftraum 126 druckmäßig vom Versorgungskanal 130 trennt.
  • In die Kalottenfläche 118 des Rotors 112 sind Dauermagnete 138a, 138b eingelassen und zwar in im wesentlichen symmetrischer Anordnung zur Öffnung 131 und vorzugsweise innerhalb des von den Stegen 128a, 128b eingegrenzten Bereichs der Membran 124.
  • Auch hier versteht sich, daß in einer Draufsicht sowohl die Öffnungen 131 wie auch die Dauermagnete 138a, 138b jeweils. mehrfach über einen Umfang verteilt angeordnet sein können.
  • Die Wirkungsweise des Lagers 106 gemäß 3 entspricht grundsätzlich der des Rundtischlagers 36 gemäß 2. Beim Lager 106 sind lediglich die axialen und die radialen Komponenten der Lagerlast nicht mit speziellen Lagerflächen verknüpft, sondern addieren sich vektoriell in den Kalottenflächen 118 und 120.

Claims (23)

  1. Fluid-Drehlager, mit einer Drehachse (34; 108), mit einem als Stator (50; 110) ausgebildeten ersten Lagerelement und mit einem als Rotor (52; 112) ausgebildeten zweiten Lagerelement, wobei Stator (50; 110) und Rotor (52; 112) einander mit mindestens einer Statorfläche (60, 90; 120) bzw. mindestens einer Rotorfläche (62, 92; 122) gegenüberstehen und die Flächen (60/62, 90/92; 110/112) zwischen sich einen Spalt (64, 94; 122) einschließen, wobei ferner mindestens eine der Flächen (60, 90; 120) als Membran (66, 96; 124) mit einem Rand (67, 97; 125) ausgebildet ist und Mittel (7280, 102; 130136) vorgesehen sind, um ein Fluid mit einem ersten Druck, der vorzugsweise in Abhängigkeit von einer auf das Drehlager (36; 106) einwirkenden Last (104) vorbestimmbar ist, durch die Membran (66, 96; 124) hindurch in den Spalt (64, 94; 122) einzubringen, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (66, 96; 124) mit ihrem zugehörigen Lagerelement (50; 110) über im Abstand von ihrem Rand (67, 97; 125) angeordnete Stützen (70a, 70b, 100a, 100b; 128a, 128b) verbunden ist, daß die Stützen (70a, 70b, 100a, 100b; 128a, 128b) zusammen mit der Membran (66, 96; 124) und dem Lagerelement (50; 110) einen Raum (68, 98; 126) einschließen, und daß der Raum (68, 98; 126) mit einem zweiten Druck beaufschlagt ist, der wesentlich geringer als der erste Druck ist.
  2. Fluid-Drehlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Druck Atmosphärendruck ist.
  3. Fluid-Drehlager nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mehrzahl von Öffnungen (73, 103; 131) entlang einer Kreislinie angeordnet ist, die sich in der Mitte der Membran (66, 96; 124) befindet.
  4. Fluid-Drehlager nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die als Membran (66) ausgebildete Fläche eine Radialfläche (60) ist.
  5. Fluid-Drehlager nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Radialfläche (60) im wesentlichen kreisringförmig ausgebildet ist.
  6. Fluid-Drehlager nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die im wesentlichen kreisringförmige Radialfläche (60) bei Einwirkung einer axial gerichteten Kraft (104) die Gestalt einer ringförmigen Wanne annimmt.
  7. Fluid-Drehlager nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die als Membran (96) ausgebildete Fläche eine Axialfläche (90) ist.
  8. Fluid-Drehlager nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Axialfläche (90) im wesentlichen zylinderförmig ist.
  9. Fluid-Drehlager nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die im wesentlichen zylinderförmige Axialfläche (90) bei Einwirkung einer radial gerichteten Kraft die Gestalt eines gewölbten Rohres annimmt.
  10. Fluid-Drehlager nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl eine Radialfläche (60) als auch eine Axialfläche (90) als Membran (66, 96) ausgebildet sind.
  11. Fluid-Drehlager nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die als Membran (124) ausgebildete Fläche eine Kalottenfläche (120) ist.
  12. Fluid-Drehlager nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Kalottenfläche (120) eine Kugelkalottenfläche ist.
  13. Fluid-Drehlager nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die als Membran (66, 96; 124) ausgebildete Fläche eine Statorfläche (60, 90; 120) ist.
  14. Fluid-Drehlager nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Fluid ein Gas, insbesondere Luft, ist.
  15. Fluid-Drehlager, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der Flächen (62; 118) mit mindestens einem Magneten (84a, 84b; 138a, 138b) versehen ist, und daß der mindestens eine Magnet (84a, 84b; 138a, 138b) auf die der mindestens einen Fläche (62; 118) gegenüberliegende Fläche (60; 120) eine anziehende Kraft (88) ausübt.
  16. Fluid-Drehlager nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mehrzahl von Magneten (84a, 84b; 138a, 138b) um die Drehachse (34; 108) herum verteilt angeordnet ist.
  17. Fluid-Drehlager nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnete (84a, 84b; 138a, 138b) jeweils paarweise entlang zweier konzentrischer Kreisringe angeordnet sind.
  18. Fluid-Drehlager nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die der Membran (66, 96; 124) gegenüberliegende Fläche (60; 120) mit dem mindestens einen Magneten (84a, 84b; 138a, 138b) versehen ist, und daß der mindestens eine Magnet (84a, 84b; 138a, 138b) eine anziehende Kraft (88) auf die Membran (66, 96; 124) ausübt.
  19. Fluid-Drehlager nach einem der Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens eine Magnet (84a, 84b; 138a, 138b) derart angeordnet ist, daß die anziehende Kraft (88) eine in Schwerkraftrichtung weisende Komponente aufweist.
  20. Fluid-Drehlager nach einem der Ansprüche 15 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens eine Magnet (84a, 84b) in eine Radialfläche (62) eingebaut ist und die anziehende Kraft (88) in Schwerkraftrichtung weist.
  21. Fluid-Drehlager nach einem der Ansprüche 15 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens eine Magnet (84a, 84b; 138a, 138b) derart positioniert ist, daß er der ihm gegenüberliegenden Membran (66; 124) in einem Be reich gegenübersteht, der sich bei Einwirken einer im wesentlichen in Schwerkraftrichtung gerichteten Kraft (104) von dem mindestens einen Magneten (84a, 84b; 138a, 138b) wegbewegt.
  22. Fluid-Drehlager nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß der Bereich sich im wesentlichen auf der dem Rand (67; 125) gegenüberliegenden Seite der Stütze (70a, 70b; 128a, 128b) befindet.
  23. Koordinaten-Meßgerät mit einem Meßtisch (12), einem in den Meßtisch (12) eingebauten Rundtisch (32) mit einer Drehachse (34; 108) zum Drehen (38) von zu vermessenden Werkstücken (40) relativ zu einem Meßtaster (30), einem im Rundtisch (32) angeordneten Rundtischlager (36) für das Werkstück (40) mit einem als Stator (50; 110) ausgebildeten ersten Lagerelement und mit einem als Rotor (52; 112) ausgebildeten zweiten Lagerelement, wobei Stator (50; 110) und Rotor (52; 112) einander mit mindestens einer Statorfläche (60, 90; 120) bzw. mindestens einer Rotorfläche (62, 92; 122) gegenüberstehen und die Flächen (60/62, 90/92; 110/112) zwischen sich einen Spalt (64, 94; 122) einschließen, und mit Mitteln (7280, 102; 130136), um ein Fluid mit einem ersten Druck, der vorzugsweise in Abhängigkeit von einer auf das Drehlager (36; 106) einwirkenden Last (104) vorbestimmbar ist, in den Spalt (64, 94; 122) einzubringen, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der Flächen (60, 90; 120) als Membran (66, 96; 124) mit einem Rand (67, 97; 125) ausgebildet ist, daß die Membran (66, 96; 124) mit ihrem zugehörigen Lagerelement (50; 110) über im Abstand von ihrem Rand (67, 97; 125) angeordnete Stützen (70a, 70b, 100a, 100b; 128a, 128b) verbunden ist, daß die Stützen (70a, 70b, 100a, 100b; 128a, 128b) zusammen mit der Membran (66, 96; 124) und dem Lagerelement (50; 110) einen Raum (68, 98; 126) einschließen, und daß der Raum (68, 98; 126) mit einem zweiten Druck beaufschlagt ist, der wesentlich geringer als der erste Druck ist.
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