DE3441426C2

DE3441426C2 -

Info

Publication number: DE3441426C2
Application number: DE19843441426
Authority: DE
Inventors: Vladas Algis Adolfovic Gapsis; Juozas-Stasis Pranovic Kumetaitis; Albinas Juozovic Vilnjus Su Kasparaitis
Original assignee: VIL'NJUSSKIJ FILIAL EKSPERIMENTAL'NOGO NAUCNO-ISSLEDOVATEL'SKOGO INSTITUTA METALLOREZUSCICH STANKOV (ENIMS) VIL'NJUS LT
Current assignee: VIL'NJUSSKIJ FILIAL EKSPERIMENTAL'NOGO NAUCNO-ISSLEDOVATEL'SKOGO INSTITUTA METALLOREZUSCICH STANKOV (ENIMS) VIL'NJUS LT
Priority date: 1984-02-13
Filing date: 1984-11-13
Publication date: 1992-12-03
Also published as: DD258544A3; DE3441426A1; SU1151060A1

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

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.