DE3441426C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Koordinatenmeßmaschine
gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bzw. 2 und kann
zum Messen von Längen- und Winkelparametern kompliziert ge
stalteter Werkstücke wie Gehäuse, Gesenke, Turbinenschau
feln u. a. verwendet werden.
Eine z. B. aus der DE-OS 31 21 373 bekannte
Koordinatenmeßmaschine enthält einen Sockel, auf
dem in Koordinatenrichtungen bewegliche Baugruppen,
auf Lagern angeordnet sind, die ein System von Tast
spitzen zum Abtasten des zu messenden Werkstückes
tragen. Mittels einer besonderen Einrichtung wird
die Bewegungsgenauigkeit des Tastspitzensystems er
höht.
Diese Meßmaschine ist jedoch kompliziert und kann
die hohen Anforderungen an die Genauigkeit der Be
wegung von Tastspitzen nicht erfüllen. Praktisch ist
diese bekannte Ausführung für die Benutzung in Prä
zisions-Koordinatenmeßmaschinen ungeeignet.
Aus der GB-PS 20 99 151 ist eine Koordinaten
meßmaschine der angegebenen Art bekannt, die als
Prototyp einen Sockel, ein Tastspitzensystem zum
Abtasten des zu messenden Werkstückes und eine
Einrichtung zum Bewegen des Tastspitzensystems
enthält, welche ein relativ zum Sockel bewegliches
Portal darstellt, auf dem ein Schlitten mit be
weglicher Pinole montiert ist. Das Auflagerteil
des Portals ist auf aerostatischen Lagern ange
ordnet, von denen jedes einen Lagerkörper ent
hält, der mit der ihm zugewandten Oberfläche
des Sockels bei Druckluftzufuhr einen Arbeits
spalt bildet und ein System von Druckluft-Ein
blasbohrungen aufweist, welches mit dem Arbeits
spalt kommuniziert. Die Maschine hat eine kinema
tische Vorrichtung, die das Absacken der aero
statischen Lager infolge ihrer veränderlichen Be
lastung bei Verschiebung des Schlittens kompen
siert. Das Absacken der Lager wird durch Änderung
des Abstandes zwischen den aerostatischen Lagern
an einem Portalende kompensiert, die an Ständern
befestigt sind, welche gegeneinander und in Bezug
auf Führungen des Sockels unter einem Winkel stehen.
Der Abstand zwischen den Lagern wird mittels einer
mechanischen Regelvorrichtung geändert, die mit
dem Schlitten kinematisch verbunden ist.
Nachteil auch dieser bekannten Maschine ist
ihre durch mehrere Faktoren bedingte geringe Ge
nauigkeit. So ändert sich die Lage des Schlittens
in Bezug auf den oberen Portalbalken infolge der
Einwirkung von Kräften, die zum Schlitten von der
mit ihm kinematisch verbundenen Regelvorrichtung
übertragen werden, wodurch die Meßergebnisse ver
fälscht werden. Außerdem wird ein Absacken der
aerostatischen Lager des Portals in Abhängigkeit
von der Änderung der Schlittenlage in Bezug auf
das Portal nicht kompensiert.
Die Maschine hat viele gleitende Teile, die
ihre Zuverlässigkeit und Stabilität verringern.
Infolge von relativ großen Arbeitsspalten der
aerostatischen Lager verbraucht die Maschine
eine beträchtliche Druckluftmenge, wobei sich die
Druckluft an den Stellen ihres Austritts in die
Atmosphäre abkühlt, die Betriebstemperaturen der
Maschinenteile und -baugruppen ändert und folg
lich die Meßgenauigkeit der Maschine herabsetzt.
Diese größeren Spalte ergeben eine kleinere Vibra
tionsdämpfung und verringern somit die Schnellwirkung
und Leistungsfähigkeit der Maschine. Schließ
lich kann Staub in die relativ großen Arbeits
spalte gelangen, der sich auf den Führungen des
Maschinensockels absetzt, in die Spalte eindringt
und zum Festklemmen der letzteren und folglich
zum Verlust der Meßgenauigkeit führt. Die vorge
gebene Meßgenauigkeit erreicht die bekannte Koordi
natenmeßmaschine deswegen nur in Räumen mit zu
sätzlich gereinigter Luft.
Aus der CH-6 04 033 ist ein Fluidlager bekannt, bei dem die
eine der einander gegenüberliegenden Flächen eine nachgie
bige Membran ist. Eine Laständerung am Fluidlager bewirkt
eine Veränderung der Arbeitsspalthöhe des Lagers und eine
Verformung der Membran in der Weise, daß die Auswirkung der
Laständerung am Fluidlager auf das Meßergebnis verringert
wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Koordinaten
meßmaschine zu schaffen, bei welcher durch wirksame Kompen
sation des Absackens der aerostatischen Lager bei Lageände
rungen der beweglichen Maschinenteile eine höhere Meßge
nauigkeit bei gleichzeitig vereinfachtem Aufbau erreicht
wird.
Diese Aufgabe wird durch die in den beiden Nebenansprüchen
1 und 2 angegebenen Merkmale gelöst.
Bei der Messung der geometrischen Parameter von Werkstücken
weist eine derart aufgebaute Maschine gegenüber den bekann
ten Ausführungen eine bedeutend höhere Meßgenauigkeit auf.
Im folgenden wird die Erfindung durch Beschreibung von Aus
führungsbeispielen unter Be
zugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine Gesamtansicht einer Koordinatenmeß
maschine;
Fig. 2 die Maschine nach Fig. 1 im Schnitt II-II;
Fig. 3 ein aerostatisches Lager im Schnitt III-III
in Fig. 2;
Fig. 4 einen Teilschnitt IV-IV in Fig. 3;
Fig. 5 eine Ansicht der unteren Lagerfläche eines aero
statischen Lagers in Richtung des Pfeiles A in
Fig. 2;
Fig. 6 eine Ansicht der unteren Portalstützfläche
der Koordinatenmeßmaschine in Richtung des
Pfeils A in Fig. 2;
Fig. 7 eine andere Ausführung einer Koordinaten
meßmaschine im Schnitt, in der das Portal
durch ein Kugelgelenk abgestützt
ist;
Fig. 8 eine graphische Darstellung der Abhängig
keit der Arbeitsspalthöhe eines aero
statischen Lagers von der Belastung
dieses Lagers.
Nach Fig. 1 enthält die Koordinatenmeßmaschine
einen Sockel 1, auf dem das zu messende Werkstück 2
aufgestellt wird, ein Tastspitzensystem 3 mit drei
Tastspitzen zum Abtasten des Werkstücks 2 während
des Meßvorgangs und eine Vorrichtung zum Bewegen
des Tastspitzensystems 3 relativ zum Werkstück 2.
Auf dem Sockel 1 ist ein verschiebbares Portal 4
mittels aerostatischer Lager S gelagert. Am Portal 4
befindet sich ein Schlitten 6, in dem eine Pinole 7
mit dem Tastspitzensystem 3 eingebaut ist. Die Maschine
besitzt eine Druckluftquelle 8, die mit allen aerostati
schen Lagern 5 verbunden ist.
Die aerostatischen Lager enthalten je einen
Lagerkörper 9 (Fig. 2), der mit der ihm zugewandten
Oberfläche 10 des Sockels 1 einen Arbeitsspalt 11 bil
det. Der Lagerkörper 9 weist ein System von Druck
luft-Einblasbohrungen 12 auf. In Fig. 3 ist eine An
sicht dieser Bohrungen 12 dargestellt, deren Ein
laßenden durch eine Nut 13 in der Oberfläche 14
(Fig. 3 und 4) verbunden und in einem Kreis gleich
mäßig verteilt auf der Oberfläche 14 (Fig. 2) des
Lagerkörpers 9 angeordnet sind. Über Drossellöcher 15
kommuniziert das System von Bohrungen 12 mit dem
Arbeitsspalt 11. Fig. 5 zeigt eine Ansicht der
Fläche 16 des Lagerkörpers 9 und der Drossellöcher 15.
Außerdem sind mehrere Bohrungen 12 (Fig. 2) über einen
Zentralkanal 17 miteinander verbunden, der im Lager
körper 9 unter einem Winkel (vorzugsweise senkrecht)
zu den Bohrungen 12 verläuft und durch einen
Stopfen 18 verschlossen ist.
Der Lagerkörper 9 des Lagers 5 weist auf der
dem Portal 4 zugewandten Seite einen ringförmigen
profilierten Ansatz 19 auf, der als elastisches
Element ausgebildet ist, das Auflagerteil 20
des Portals 4 umfaßt und zwischen der Oberfläche 14
des Lagerkörpers 9 und der ihm gegenüberliegenden
Portalstützfläche 21 einen geschlossenen Hohlraum 22
begrenzt. Der elastische Ansatz 19 und das Auf
lagerteil 20 sind durch Schrauben 23 dicht mitein
ander verbunden, die in einen Ringflansch am Auf
lagerteil 20 eingeschraubt sind.
Über ein Rohr 24 und eine Drosselbohrung 25
(Fig. 2 und 6) steht der Hohlraum 22 mit der
Druckluftquelle 8 (Fig. 1) in Verbindung.
In Fig. 6 sind auch Nuten 26 dargestellt,
die zwecks der Druckluftverteilung zum Hohl
raum 22 (Fig. 2) von der Drosselbohrung 25
radial ausgehen.
Bei der Ausführung eines aerostatischen
Lagers einer Koordinatenmeßmaschine nach Fig. 7
ist das Auflagerteil des Portals 27 als Kugel
gelenk 28 ausgebildet und mit einer
Schraube 29 am Portal 27 befestigt. Zwischen
dem Auflagerteil des Portals 4 und dem Lager
körper 9 ist eine Lagerplatte 30 mit einer
sphärischen Pfanne für das Gelenk 28 vorgesehen.
Der Ansatz 19 des Lagerkörpers 9 umfaßt die
Lagerplatte 30 und begrenzt den geschlossenen
Hohlraum 22 zwischen den benachbarten Flächen 4
und 31 dieser Lagerelemente. Wenn die blinde
Drosselbohrung 25 im Zentrum der Lagerplatte 30
angeordnet ist, kommuniziert sie mit dem Rohr 24
über einen Querkanal 32, der außen durch einen
Stopfen 33 verschlossen ist.
Die Koordinatenmeßmaschine funktioniert fol
genderweise.
Das zu messende Werkstück 2 wird auf den Ma
schinensockel 1 aufgestellt, dann wird die Druck
luft von der Druckluftquelle 8 in die aerostati
schen Lager 5 über das Rohr 24 und die Drossel
bohrung 25 eingeblasen. Dabei strömt die Druck
luft zwischen den Flächen 21 und 14 des Portals 4
bzw. des Lagerkörpers 9 (oder gemäß Fig. 7 zwischen
den Flächen 31 und 14 der Lagerelemente 30 und 9)
und bildet infolge ihrer Druckwirkung zwischen
diesen Flächen 21 und 14 (31 und 14) einen Hohl
raum 22 in Form eines Spalts mit einer Höhe H1
von 0,005 bis 0,01 mm. Eine weitere Vergrößerung
der Höhe dieses Luftspaltes wird durch den
elastisch verformbaren Ansatz 19 verhindert.
Aus dem Hohlraum 22 gelangt die Druckluft durch
die Bohrungen 12 und 15 in den Raum zwischen den
Flächen 16 und 10 des Lagerkörpers 9 bzw. des
Sockels 1 und bildet dazwischen den Arbeits
spalt 11, der das Portal 4 (27) vom Sockel 1
faktisch trennt. Die Höhe H2 des Arbeitsspalts 11
erreicht 0,003 . . . 0,006 mm. Also wird das
Portal 4 (27) um eine Höhe gleich H1+ H2 ge
hoben, dabei soll die Zahl der aerostatischen
Lager größer als drei sein.
Um die erforderlichen Vorgänge zur Messung
der geometrischen Parameter des Werkstücks 2
durchzuführen, kann das Portal 4 auf dem Ma
schinensockel 1 in Richtung der Koordinaten
achse "X" bewegt werden, wobei in Richtung
der Koordinatenachse "Y" der Schlitten 6 längs
des Portals 4 verschoben wird. In Richtung der
Koordinatenachse "Z" bewegt sich die Pinole 7
im Schlitten 6 mitsamt dem Tastspitzensystem 3.
Bei Verschiebung des Schlittens 6 mit der
Pinole 7 und den Tastspitzen 3 ändert sich be
kanntlich die Belastung ΔP der Lager 5, was
eine Änderung des Arbeitsspaltes 11 zur Folge
hat. Dies wird von einer Verformung des Seiten
ständers des Portals 4 und von einer Schiefstel
lung seines Querjochs begleitet, was zu ungenauen
Messungen führt.
In der beschriebenen Koordinatenmeßmaschine
wird diese Schiefstellung des Querjochs des Portals 4
kompensiert. Diese Lagekompensation wird anhand von
Fig. 8 erläutert, in der die Abhängigkeit der Höhe H
des Arbeitspaltes 11 (Fig. 2) von der Belastung P
des aerostatischen Lagers 5 in Form der Kurve 34 und
die Abhängigkeit des Spaltes zwischen dem Auflager
teil 20 des Portals 4 und dem Sockel 1 von der Be
lastung P - Kurve 35 - dargestellt sind.
Mit steigender Belastung P des aerostatischen
Lagers 5 verringert sich der Lagerspalt 11 bis auf
die Größe von H2. Gleichzeitig steigt der Luftdruck
im Lagerspalt 11 und im Hohlraum 22, weil das Luft
druckgefälle im Drosselloch 25 kleiner wird. Infolge
des höheren Luftdrucks im Hohlraum 22 ver
größert sich der Abstand zwischen den Flächen 21 und
14 bis zur Größe von H1, was erstens durch eine
gleichmäßigere Druckluftverteilung im geschlossenen
Hohlraum 22 im Vergleich mit der Druckverteilung
im Spalt 11 und zweitens durch eine geeignete Wahl
von Flächen 14 (unter dem Auflagerteil 20) und
10 (unter dem Lagerkörper 9) bedingt ist.
Gleichzeitig mit der Vergrößerung des Abstands
zwischen den Flächen 21 und 14 wird das Luftdruck
gefälle im Hohlraum 22 zwischen dem Drosselloch 25
und den Bohrungen 12 kleiner, was zum Luftdruckan
stieg im Arbeitsspalt 11 und folglich zur größeren
Steifheit des aerostatischen Lagers 5 führt. Mit
größer werdendem Abstand der Flächen 21 und 14 wird dabei
der Druck im Hohlraum 22 gleichmäßiger verteilt,
zugleich nimmt auch die Kraft zu, die das elasti
sche Element des Lagerkörpers 9 verformt.
Umgekehrt führt das Kleinerwerden des Arbeits
spaltes 11 zur Vergrößerung des Abstands zwischen
den Flächen 21 und 14. Ist dabei die Verringerung
des Arbeitsspalts 11 von Änderungen der Belastung
des aerostatischen Lagers 5 abhängig, so hängt
die Änderung des Abstandes zwischen den Flächen 21
und 14 von der Steifheit des Ansatzes 19 am Lager
körper 9 ab, die nach dem Zusammenbau der
ganzen Maschine eingestellt wird.
Es werden nun zwei Varianten bei der Wahl der
Steifigkeit des Ansatzes 19 betrachtet.
1. Wenn die Ständer des Portals 4 und die Ver
bindungen seiner einzelnen Baugruppen sowie andere
Bauelemente genügend steif sind, soll durch die Wahl
der Steifheit des elastischen Ansatzes 19 die Be
dingung
H′1-H1= H2-H′2 (Fig. 8)
eingehalten werden.
Bei dieser Variante der Steifheitswahl verschiebt
sich infolge der veränderlichen Belastung des aero
statischen Lagers 5 nur sein Lagerkörper 9 vertikal
um die Höhe H2-H′2 während sich die Lage des
Auflagerteils 20 des Portals 4 nicht ändert und
folglich auch die Lage des Horizontalbalkens des
Portals 4 unverändert bleibt.
2. Wenn die Ständer des Portals 4 eine Verformung
von der Größe ε erleiden, soll die Steifheit der
Vorsprünge 19 herabgesetzt werden, um die Bedin
gung H2 + H′3-(H2+ H3) = ε zu erfüllen, wobei
H3 anhand der Kurve 36 (Fig. 8) ermittelt wird,
welche die Änderung des Abstandes zwischen dem
Auflagerteil 20 des Portals 4 und dem Sockel 1
zur vollständigen Kompensation der Verformung ε
der Baugruppen des Portals 4 infolge der Belastungs
änderung um die Größe ΔP angibt.
In ähnlicher Weise können die übrigen beweg
lichen Baugruppen der Maschine eingestellt werden,
deren Stützen veränderliche Belastungen erfahren
und bei denen das Absacken ihrer aerostatischen
Lager die Meßgenauigkeit beeinträchtigt.
Bei der erfindungsgemäßen Ausführung begrenzt
außerdem die dreifache Drosselung der Druckluft
vor ihrem Eintritt in die Arbeitsspalte der aero
statischen Lager den Luftverbrauch, und die Ver
größerung der Arbeitsspalte bei der Abnahme der
Lagerbelastung gewährleistet eine gleichmäßige
Luftdruckverteilung im Arbeitsspalt, wobei die
Betriebsfähigkeit der aerostatischen Lager bei
kleinen Arbeitsspalten, ihre hohe Steifheit und
Tragfähigkeit erreicht werden. Solche Lager sind
gegen Druckänderungen in der von der Druckluft
quelle zugeführten Druckluft wenig empfindlich
und verbrauchen wenig Luft. Bei der Bewegung
auf der Oberfläche der Führungen des Maschinen
sockels reinigen die aerostatischen Lager mit kleinen
Spalten außerdem diese Flächen von Staubansammlungen
und Verunreinigungen.
Der Einsatz der erfindungsgemäßen Koordinaten
meßmaschine ergibt also durch eine höhere Genauigkeit
von Bewegungen in Koordinatenrichtungen eine höhere
Meßgenauigkeit und bietet auch die Möglichkeit,
die Kompensationseinrichtungen durch Ausschluß von
gleitenden Teilen bedeutend zu vereinfachen, den
Luftverbrauch herabzusetzen und die schädliche Be
einflussung der Temperaturverhältnisse beim Betrieb
der Maschine durch die Druckluft zu verringern.
Die erfindungsgemäß ausgebildeten aerostati
schen Lager mit zusätzlichem geschlossenem Luftraum
von last- und druckabhängig elastisch veränder
barem Volumen können auch bei anderen Vorrichtun
gen eingesetzt werden, bei denen es u. a. auf hohe
Lagegenauigkeiten ankommt.
Claims (5)
1. Koordinaten-Meßmaschine mit einem Sockel (1) für das zu
messende Werkstück (2), mit einem relativ zum Sockel (1) be
weglichen Tastspitzensystem (3) zum Abtasten des Werkstückes
und mit einer ein Auflagerteil aufweisenden Tragvorrichtung
zum Bewegen des Tastspitzensystems (3), welche mit dem Sockel
(1) mittels aerostatischer Lager (5) zusammenwirkt, von denen
jedes einen Lagerkörper (9) besitzt, der mit der ihm zugewand
ten Oberfläche (10) des Sockels (1) einen Arbeitsspalt (11)
bildet und ein mit dem Arbeitsspalt (11) kommunizierendes
System von Druckluft-Einblasbohrungen (12, 15, 17), die an
eine Druckluftquelle angeschlossen sind, aufweist,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Lagerkörper (9) jedes aerostatischen Lagers (5) auf
seiner der Tragvorrichtung zum Bewegen des Tastspitzensystems
(3) zugekehrten Seite ein elastisches Element (19) aufweist,
welches zwischen der Oberfläche (14) des Lagerkörpers (9) und
der benachbarten Oberfläche (21) des Auflagerteils (20) der
Tragvorrichtung einen geschlossenen Hohlraum (22) bildet, der
über mindestens eine Drosselbohrung (25) mit der Druckluft
quelle (8) und mit dem System von Druckluft-Einblasbohrungen
(12, 15, 17) in Verbindung steht.
2. Koordinatenmeßmaschine mit einem Sockel (1) für das zu mes
sende Werkstück (2), mit einem relativ zum Sockel (1) bewegli
chen Tastspitzensystem (3) zum Abtasten des Werkstücks (2) und
mit einer ein Auflagerteil aufweisenden Tragvorrichtung zum
Bewegen des Tastspitzensystems (3), welche mit dem Sockel (1)
mittels aerostatischer Lager (5) zusammenwirkt, von denen je
des einen Lagerkörper (9) besitzt, der mit der ihm zugewandten
Oberfläche (10) des Sockels (1) einen Arbeitsspalt (11) bildet
und ein mit dem Arbeitsspalt (11) kommunizierendes System von
Druckluft-Einblasbohrungen (12, 15, 17) aufweist, die an eine
Druckluftquelle angeschlossen sind,
dadurch gekennzeichnet,
daß zwischen dem Auflagerteil der Tragvorrichtung und dem
Lagerkörper (9) jedes aerostatischen Lagers (5) eine Lager
platte (30) eingebaut ist, die mit der Tragvorrichtung über
ein Kugelgelenk (28) zusammenwirkt, daß der Lagerkörper (9)
jedes aerostatischen Lagers (5) ein elastisches Element (19)
aufweist, das zwischen den benachbarten Flächen (14, 31) der
Trägerelemente (9, 30) einen geschlossenen Hohlraum (22) bil
det, welcher über mindestens ein Drosselloch (25) mit der
Druckluftquelle (8) und unmittelbar mit dem System von Druck-
Luft-Einblasbohrungen (12, 15, 17) in Verbindung steht.
3. Meßmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß der Hohlraum (22) spaltförmig ist und sich über nahezu die
gesamte Fläche des Auflagerkörpers (9) erstreckt.
4. Meßmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge
kennzeichnet, daß das elastische Element (19) als hinter
schnittener Ansatz am Lagerkörper (9) ausgebildet ist, er das
Auflager (20) der Tragvorrichtung (4) bzw. die Lagerplatte
(30) abgedichtet umfaßt.
5. Meßmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge
kennzeichnet, daß in der den Hohlraum (22) begrenzenden Fläche
des Auflagerteils (20) bzw. der Lagerplatte (30) Verteiler
kanäle (26) ausgebildet sind.
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8110 | Request for examination paragraph 44 | ||
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