DE3410964C2

DE3410964C2 -

Info

Publication number: DE3410964C2
Application number: DE19843410964
Authority: DE
Current assignee: Toto Ltd
Priority date: 1983-03-25
Filing date: 1984-03-24
Publication date: 1990-01-18
Also published as: GB2142690A; DE3410964A1; US4512616A; US4512616B1; GB8405747D0; GB2142690B

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schlittenführung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Solche Führungen sind z. B. für Werkzeug- und Meß-Schlitten in Bearbeitungs- bzw. Meßmaschinen hoher Genauigkeit verwendbar. Das Anwendungsgebiet der Erfindung umfaßt daher insbesondere Maschinen zum Schneiden von Halbleiterscheiben, optischen und magnetischen Scheiben, Geradheits-Meßmaschinen, dreidimensionale Meßmaschinen und dergl. sowie hochgenaue Positionierungstische, wie sie zur Herstellung von integrierten Halbleiterschaltungen und dergl. verwendet werden.

Führungen der genannten Art müssen im Hinblick auf die hochgenaue Geradlinigkeit der Schlittenbewegung entsprechend verformungssteif ausgebildet sein. Zu diesem Zweck werden solche Schlittenführungen üblicherweise als Festkörper aus Gußeisen, Weichstahl, Aluminium, Stein oder dergl. hergestellt, um die Steifheit zu erhöhen und die Betriebsverformungen zu vermindern. Gußeisen, Weichstahl, Aluminium und Stein sowie ähnliche Materialien unterliegen jedoch wegen ihres spezifischen Verhältnisses von Masse zu Steifheit bzw. Dichte zu Elastizitätsmodul grundsätzlichen Beschränkungen hinsichtlich des vorliegenden Verwendungszweckes, weil ein Maß an Verformungen, welches die Bearbeitungs- bzw. Meßgenauigkeit beeinträchtigt, bereits durch das Eigengewicht von Führung und Schlitten hervorgerufen wird.

Die genannten Materialien sind daher für hohe und höchste Genauigkeitsanforderungen bei Bearbeitungs- und Meßmaschinen wenig geeignet.

Aus JP-Abstract 57-61 437 ist eine Schlittenführung mit einem Führungstragkörper bekannt, der ein offenes Hohlprofil aufweist. Bei einem solchen Hohlprofil ist ein Hohlraumquerschnitt - als wesentlicher Parameter für die Bestimmung der spezifischen Verformung - ohne weitere Angaben darüber, wo und in welcher geometrischen Form die Grenze des Hohlraumes im Bereich der Profilöffnung verlaufen soll, im allgemeinen nicht eindeutig definierbar. Diesem Stand der Technik ist daher eine technisch brauchbare Bestimmung des Hohlraumquerschnitts und damit eine Lehre zur Optimierung der Führungssteifheit nicht zu entnehmen.

Erfindungsaufgabe ist demgegenüber die Schaffung einer Schlittenführung der eingangs genannten Art, bei der eine Minimisierung der unter Fremdbelastung und Belastung durch das Eigengewicht auftretenden Verformung des Hohlraum-Führungstragkörpers erreicht ist. Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist bestimmt durch die Merkmale des Anspruchs 1. Sie macht sich bei der Lösung einen Effekt zunutze, der im Verhältnis K der allseitig umschlossenen Hohlquerschnittsfläche zur Gesamtquerschnittsfläche des Führungstragkörpers zum Ausdruck kommt und eine Besonderheit für Keramik-Tragkörper darstellt. Dieser Effekt besteht im wesentlichen darin, daß hier bei Werten des Verhältnisses K von etwa 0,8 bis herab gegen Null kein wesentlicher Wiederanstieg der Verformung auftritt. Im Gegensatz dazu findet sich bei entsprechenden Tragkörpern aus metallischen Werkstoffen im oberen Wertebereich der Verhältnisgröße K ein mehr oder weniger stark ausgeprägtes Minimum der Verformung, d. h. ein deutlicher Wiederanstieg der Verformung bei Abnahme von K unter das genannte Minimum.

Zum Stand der Technik wird ergänzend auf DE 30 14 645 C2 und DE-AS 10 49 162 hingewiesen. Die erstgenannte Schrift zeigt keinen Führungstragkörper, der also in seiner Längsrichtung einen getragenen Körper, Schlitten oder dergl., verschiebbar führt und dabei vor allem Biegemomenten unterliegt, sondern nur mit einem Führungs- oder Führungstragkörper zusammenwirkende Elemente, wie Führungs- oder Lagerhülsen und dergl., die keiner wesentlichen Biegebeanspruchung unterliegen und bei denen wesensgemäß das Problem der Verformungsminimisierung nicht auftritt oder sogar gewissen Verformungen angestrebt werden. Die zweitgenannte Schrift befaßt sich mit der Anordnung von Dämpfungsfüllungen in Hohlräumen, die mit besonderem Vorteil auch in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung angewendet werden kann, jedoch für sich nicht Erfindungsgegenstand ist.

Die Erfindung wird weiter anhand der in den Zeichnungen und Diagrammen veranschaulichten Ausführungsbeispiele erläutert.

Es zeigt:

Fig. 1 eine Front-Teilschnittansicht eines erfindungsgemäßen Führungstragkörpers im Betriebszustand sowie im strichpunktiert angedeuteten Verformungszustand mit der Durchbiegung Z im Querschnitt X-X,

Fig. 2 eine Schnittansicht gemäß Schnittebene X-X in Fig. 1, jedoch in größerem Maßstab,

Fig. 3 ein experimental ermitteltes Diagramm der Abhängigkeit der maximalen Biegeverformung Z _max verschiedener Führungstragkörper von der Verhältnisgröße K,

Fig. 4 ein experimentell ermitteltes Diagramm der Abhängigkeit der Biegeverformung von der Schlittenstellung längs des Führungstragkörpers,

Fig. 5 den Querschnitt eines Führungstragkörpers mit teilweise durch Dämpfungsmaterial gefülltem Hohlraum,

Fig. 6 ein Dämpfungsdiagramm (abklingende Schwingungsamplitude über der Zeit) des Führungstragkörpers nach Fig. 5,

Fig. 7 den Querschnitt eines Führungstragkörpers mit vollständig durch Dämpfungsmaterial gefülltem Hohlraum,

Fig. 8 ein Dämpfungsdiagramm des Führungstragkörpers nach Fig. 7,

Fig. 9 den Querschnitt eines Führungstragkörpers mit ungefülltem Hohlraum,

Fig. 10 ein Dämpfungsdiagramm des Führungstragkörpers nach Fig. 9.

Fig. 1 zeigt einen Führungskörper 1 mit einem Schlitten 2 zur Aufnahme eines nicht dargestellten Werkzeugs oder Meßinstrumentes hoher Genauigkeit. Der Führungskörper besteht aus Keramik, z. B. Aluminiumoxidkeramik oder dergl., und ist als Hohlkörper mit dem Schlitten angepaßtem Querschnitt ausgebildet. Der Führungskörper ist langgestreckten Führungsflächen versehen und kann quadratischen, rechteckigen, kreisförmigen oder dreieckförmigen Querschnitt oder andere geeignete Querschnittsformen aufweisen. Jedenfalls beträgt wenigstens ein Innen-Außen-Querschnittsmaßverhältnis, vorzugsweise aber im wesentlichen die Gesamtheit dieser Maßverhältnisse am Hohlkörperquerschnitt der Führung, weniger als etwa 0,8, vorzugsweise von etwa 0,6 bis 0,8. Diese charakteristische Verhältnisgröße wird im folgenden kurz als "Querschnittsmaßverhältnis K" bezeichnet.

Im Beispiel nach Fig. 1 handelt es sich um das Verhältnis der Innen- oder Hohlraumbreite B 2 zur Außenbreite B 1, d. h. B 2/B 1, und um das Verhältnis der Innen- oder Hohlraumhöhe H 2 zur Außenhöhe H 1, d. h. H 2/H 1. Diese Querschnittsmaßverhältnisse K liegen beide unter 0,8 und werden vorzugsweise im genannten Bereich von etwa 0,8 gewählt.

Der Schlitten 2 kann aus Weichstahl, Aluminiumoxidkeramik oder anderen Materialien bestehen und mit Öffnungen 2′ an seiner inneren Umfangsfläche für die Zufuhr von als Schmierung wirkendem Druckfluid (Gas oder Flüssigkeit) versehen sein. Auf diese Weise kann der Schlitten 2 leicht und hochgenau verfahren bzw. positioniert werden, sei es von Hand oder mit automatisiertem Bewegungs- oder Stellantrieb.

Fig. 3 zeigt die Beziehung zwischen der Maximalverformung Z _max der Führung und den Werten von K. Wenn K den Wert Null hat, handelt es sich um einen Vollkörper, also ohne Hohlraum. Mit Annäherung an den Wert K = 1 nimmt die Wandstärke des Hohlkörpers gegen Null ab.

Wie aus Fig. 3 hervorgeht, zeigen Vollkörper aus Aluminiumoxidkeramik wesentlich geringere Maximalverformungen als solche aus Weichstahl oder Gußeisen, und zwar nur einhalb bzw. einviertel der letztgenannten Vergleichskörper. Wenn K bei Keramik-Führungskörpern unter 0,8 liegt, z. B. in den Bereichen zwischen 0,1 und 0,2, 0,2 und 0,4 oder 0,6 und 0,8, so liegt die Maximalverformung in der Größe von 0,17 µm und beträgt höchstens 0,2 µm, wobei im erwähnten Gesamtbereich von K nur geringe Schwankungen auftreten.

In den zugrundeliegenden Experimenten hatten alle Führungskörper folgende Maße: H 1 = 95 mm, B 1 = 120 mm, Gesamtlänge = 440 mm. Die Führungskörper waren an zwei Stellen abgestützt. Die Schlitten hatten eine Gesamtlänge von 200 mm und ein Gesamtgewicht von 145 N.

Es versteht sich, daß mit diesem Experiment der Zusammenhang zwischen der Maximalverformung Z von Führungen aus Aluminiumoxidkeramik einerseits und solchen aus Weichstahl und Gußeisen andererseits grundsätzlich klargestellt ist. Bei einer Veränderung des Schlittengewichtes oder der Gesamt-Führungslänge ändern sich diese Zusammenhänge nicht grundsätzlich, so daß die Überlegenheit von Keramik-Führungskörpern hinsichtlich Verformungssteifheit feststeht.

Fig. 4 zeigt den Zusammenhang zwischen der Schlittenstellung auf der Führung und der Maximalverformung Z von Führungen aus Aluminiumoxidkeramik bzw. Weichstahl bzw. Gußeisen. Im erstgenannten Fall (oberste Kurve) beträgt die Differenz zwischen Maximal- und Minimalverformung nur 0,1 µm. Die Schlittenstellung hat also einen vorteilhaft geringen und sogar vernachlässigbar geringen Einfluß auf die Führungsverformung.

In einer Weiterbildung der Erfindung wird der Hohlraum a des Führungskörpers 1 mit Dämpfungsmaterial 3 versehen, vorzugsweise einem Granulat der Korngröße im Bereich von etwa 0,1 bis etwa 5 mm (Korndurchmesser), wobei das Material vorzugsweise eine geringe Schüttdichte, jedoch eine hohe Kornmaterialdichte aufweist. Es kommen Materialien wie anorganische Granulate, z. B. Sande, Gesteine, Beton, Ziegel in Betracht, auch Fasern, Gummi, Plastik mit Füllmaterial und dergleichen. Solche Materialien haben ein hohes logarithmisches Dämpfungsdekremt. Eine teilweise oder vollständige Füllung des Hohlraumes mit Dämpfungsmaterial kann je nach den Anforderungen des Anwendungsfalles vorgesehen werden.

Die Wirkung unterschiedlicher Füllungsgrade ist in den Fig. 5 bis 10 veranschaulicht. Fig. 5 zeigt einen Füllungsgrad von 12.5%, Fig. 7 einen solchen von 100% und Fig. 9 zum Vergleich einen leeren Hohlkörper, jeweils mit zugehörigen Schwingungs-Abklingdiagrammen gemäß Fig. 6 bzw. 8 bzw. 10. Die Dämpfung des ungefüllten Hohlkörpers ist demnach wesentlich schlechter als des zu 12,5% gefüllten und letztere wiederum schlechter als diejenige des zu 100% gefüllten Hohlkörpers. Der ungefüllte Hohlkörper ist also für höchste Genauigkeitsanforderungen wenig geeignet.

Bereits sehr geringe Füllungsgrade, z. B. 1 bis 2%, verbessern die Dämpfungseigenschaften bereits merklich. Im Hinblick auf die Erhöhung des Eigengewichts des Führungskörpers wird ein allgemeines Optimum bei Füllungsgraden zwischen etwa 20 und 30% gesehen.

Der Keramik-Führungskörper kann z. B. im Gieß- oder Preßverfahren mit entsprechenden Formen hergestellt werden. Es kommt eine getrennte Herstellung von oberem und unterem Hohlkörperteil mit anschließender Verbindung dieser Teilkörper in Betracht. Grundsätzlich unterliegt das gewählte Herstellungsverfahren keiner Einschränkung.

Claims

1. Schlittenführung mit einem hohlen Führungstragkörper, der Führungsflächen aus Keramik aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Führungstragkörper (1) vollständig aus Keramik gebildet ist und einen Hohlraum (a) aufweist, der im Querschnitt allseitig umschlossen ist, wobei das Verhältnis (K) der allseitig umschlossenen Hohlquerschnittsfläche zur Gesamtquerschnittsfläche des Führungstragkörpers (1) zwischen etwa 0,1 und etwa 0,8 beträgt.

2. Schlittenführung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Führungstragkörper aus Aluminiumoxidkeramik gebildet ist.

3. Schlittenführung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch ein Verhältnis (K) zwischen etwa 0,6 und etwa 0,8.

4. Schlittenführung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch ein Verhältnis (K) zwischen etwa 0,4 und etwa 0,6.

5. Schlittenführung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch ein Verhältnis (K) zwischen etwa 0,2 und etwa 0,4.

6. Schlittenführung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch ein Verhältnis (K) zwischen etwa 0,1 und etwa 0,2.

7. Schlittenführung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Hohlraum (a) des Führungstragkörpers (1) schwingungsdämpfendes Material, vorzugsweise enthaltend ein Granulat aus anorganischem Material, Gummi, Fasern oder Plastik mit Füllstoff, angeordnet ist.

8. Schlittenführung nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch einen Füllungsgrad des Führungstragkörper-Hohlraumes zwischen etwa 20% und etwa 30%.