DE3933698A1 - Aerostatisches lager mit einer einstellbaren stabilisierungseinrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein aerostatisches Lager mit einer einstellbaren Stabilisierungseinrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Da ein aerostatisches Lager ein kontaktloses Lager ist, das eine höhere lineare Genauigkeit aufweist und bei dem keine Vibrationen auftreten, wie sie gewöhnlich durch rauhe Oberflächen bei Kontaktlagern verursacht werden, wird ein derartiges Lager in großem Maße bei verschiede­ nen Arten von Präzisionsmaschinen und Prüfinstrumenten angewendet. Da jedoch bei dem aerostatischen Lager komprimierte Luft als Fluid-Schmiermittel verwendet wird, ist ein solches Lager im Hinblick auf die Entste­ hung eines sogenannten "Preßlufthammer"-Phänomens emp­ findlich. Aus diesem Grunde besteht ein Problem darin, bei aerostatischen Lagern diese "Preßlufthammer"-Wirkung zu überwinden. Außerdem stellen die Steifigkeit bzw. die Härte und die Tragfähigkeit von aerostatischen Lagern wichtige Merkmale dar, die während des Entwurfs betrach­ tet werden müssen, weil diese Merkmale die Funktion einer Maschine bestimmen, von der eine hohen Präzision verlangt wird.

Bei dem herkömmlichen aerostatischen Lagern werden die Steifigkeit bzw. die Härte und die Tragfähigkeit des Lagers üblicherweise dadurch vergrößert, daß der Luft­ druck erhöht wird oder daß die Größe der Lagertasche vergrößert wird. Ein Nachteil besteht jedoch darin, daß die Erhöhung des Luftdruckes oder die Vergrößerung der Lagertasche zu dem "Preßlufthammer"-Phänomen führt.

Die Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, eine höhere Tragfähigkeit und eine größere Festigkeit bzw. Härte bei gleichzeitiger Beseitigung des "Preßlufthammer"- Phänomens zu erreichen.

Diese Aufgabe wird durch ein aerostatisches Lager der eingangs genannten Art gelöst, das durch die in dem kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 angeführten Merkmale gekennzeichnet ist.

Vorteilhafterweise wird durch die Erfindung eine neue aerostatische Lagerstruktur geschaffen, bei der kein "Preßlufthammer"-Phänomen auftritt. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß das erfindungsgemäße Lager bei seiner Anwendung in einer Maschine zu einem stabileren Be­ trieb, einer höheren Präzision, einer größeren Tragfä­ higkeit und einer größeren Steifigkeit bzw. Härte führt.

Bei der Erfindung werden die neuen radialen Nuten ver­ wendet, um die groß bemessene Lagertasche zu ersetzen, die bei einer herkömmlichen Luftlagerstruktur vorgesehen ist. Dadurch wird das Volumen der Tasche so klein wie möglich gehalten und wird das "Lufthammer-Phänomen" vermieden, ohne daß die hohe Tragfähigkeit und die große Steifheit bzw. Härte des herkömmlichen Lagers verringert werden. Außerdem ist ein Abstandsteil beweglich in dem Eingangsdurchgang des Lagers befestigt, das zur Einstel­ lung des Luftvolumens in dem Lager dient, so daß dadurch die dynamischen Charakteristiken des Lagers verbessert werden. Das Abstandsteil ist mit einem Nadelventil zur Regulierung der Luftströmung in dem Lager versehen, wodurch die Stabilität des Luftlagers genauer gesteuert werden kann.

Im folgenden werden die Erfindung und deren Ausgestal­ tungen im Zusammenhang mit den Figuren näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine Vorderansicht einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Lagers;

Fig. 2 einen Schnitt entlang der Linie 2-2 der Fig. 1;

Fig. 3 einen Schnitt zur Erläuterung der Funktion der ersten Ausführungsform;

Fig. 4 zum Vergleich Druckverteilungskurven, wie sie bei der vorliegenden Erfindung und beim Stand der Technik vorliegen;

Fig. 5 eine Vorderansicht einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 6 einen Schnitt einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 7 einen Schnitt zur Erläuterung der Funktion der dritten Ausführungsform;

Fig. 8 eine Vorderansicht einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 9 einen Schnitt entlang der Linie 9-9 der Fig. 8;

Fig. 10 einen Schnitt entlang der Linie 10-10 der Fig. 9; und

Fig. 11 eine systematische Darstellung eines herkömmlichen aerostatischen Lagers.

Die Fig. 11 zeigt ein herkömmliches aerostatisches Lagersystem, bei dem der Lagerkörper B 1 eine Lagerebene B 2 mit einer Lagertasche B 3 aufweist. In der Mitte der Tasche B 3 befindet sich eine Öffnung B 4, die mit dem Eingangsdurchgang B 5 im Lagerkörper B 1 in Verbindung steht. Die Luft kann von einer Luftquelle S zu einer Tasche B 3 über einen Trockner D, ein Filter F, den Eingangsdurchgang B 5 und die Öffnung B 4 strömen. Die Luft erzeugt zur Bildung eines Lagers einen Druck im Spalt C zwischen der Ebene B 2 und der Lageroberfläche X. Wenn eine höhere Tragfähigkeit und eine größere Steif­ heit bzw. Härte gefordert werden, muß das Volumen der Tasche B 3 oder der Luftdruck vergrößert werden. Diese Schritte der Vergrößerung der Tasche und des Luftdruckes würden jedoch zu einem größeren "Preßlufthammer" bzw. "Lufthammer"-Phänomen führen, das die Präzision und die brauchbare Lebensdauer des Lagers oder sogar die Zuver­ lässigkeit einer ganzen Maschine verringern würde.

Fig. 1 zeigt eine Vorderansicht einer ersten Ausfüh­ rungsform der vorliegenden Erfindung, die eine verbes­ serte Struktur im Hinblick auf die Nachteile eines herkömmlichen aerostatischen Lagers bzw. Luftlagers betrifft. In der Lagerfläche 2 des Lagerkörpers 1 befindet sich eine Tasche 3 mit einer Öffnung 4 und einer Mehrzahl von radialen Nuten 5, die um den Umfang der Tasche 3 herum angeordnet sind, um den Funktionsbe­ reich bzw. die Funktionsfläche der Tasche 3 zu vergrö­ ßern. An den äußeren Enden der radialen Nuten 5 ist eine ringförmige Nut 6 vorgesehen.

Die Fig. 2 zeigt einen Schnitt durch die erste Ausfüh­ rungsform des Lagers. Der Lagerkörper 1 ist mit einem Lufteingang 11 und einem Durchgang 12 zur Öffnung 4 versehen. Ein Abstandsteil 8 ist in dem Durchgang 12 verschraubbar und einstellbar montiert. Das Ringteil 8 weist eine Öffnung 81 zur Bildung eines Zuganges zum Raum zwischen dem Abstandsteil 8 und der Öffnung 4 auf. Die Öffnung 4 verbindet den Hohlraum 7 mit der Tasche 3.

Wie dies in der Fig. 3 dargestellt ist, strömt die in den Ansaugdurchgang 12 eingetretene Luft A durch die Öffnung 81 des Abstandsteiles 8, um in den Hohlraum 7 einzutreten, der zu einer stoßdämpfenden Funktion führt. Nachdem die Luft durch die Öffnung 4 hindurchgetreten ist, wird der Luftdruck gleichmäßig in der Tasche 3, den radialen Nuten 5 und der ringförmigen Nut 6 ausgebrei­ tet, um einen Druckfilm bzw. eine Druckschicht derart zu bilden, daß der Lagerkörper 1 die Last L trägt, die über der Lagerfläche X floatiert. Dies bedeutet, daß eine aerostatische Lagereinrichtung ohne einen tatsächlichen Kontakt entsteht. Die zentrale Tasche 3 weist bei der vorliegenden Erfindung ein kleineresVolumen auf als bei dem herkömmlichen Luftlager. Die gesamte Lagerfläche der vorliegenden Erfindung, die die Tasche 3, die radialen Nuten 5 und die ringförmige Nut 6 umfaßt, ist jedoch beinahe gleich groß, wie diejenige des herkömmlichen Luftlagers. Da das Volumen der gesamten Tasche verrin­ gert wurde, kann das "Preßlufthammer"- bzw. "Luft­ hammer"-Phänomen beseitigt werden und die nutzbare Lebensdauer, die Präzision und die Zuverlässigkeit des Lagers und der Maschine desselben werden vergrößert. Da die Position des Abstandsteiles 8 in dem Eingangsdurch­ gang 12 einstellbar ist, ist auch das Volumen des Hohlraumes 7 einstellbar. Mit der Hilfe des Abstands­ teiles 8 und der Öffnung 81 desselben bewirkt der Hohlraum 7 eine Luftspeicherfunktion, eine Druckstabili­ sierungsfunktion und eine stoßdämpfende Funktion. Außerdem führt er zu einer weiteren Stabilisierungsfunk­ tion, was durch wiederholte Tests bewiesen wurde.

Die Fig. 4 zeigt Druckverteilungskurven zum Vergleich zwischen dem erfindungsgemäßen Lager und dem herkömmli­ chen Luftlager, wobei diese Lager dieselben Größen und denselben Luftdruck aufweisen. Die erfindungsgemäße Druckverteilungskurve M sieht ähnlich aus, wie die Kurve N des herkömmlichen Luftlagers, wenn man davon absieht, daß der Druck in der ringförmigen Nut geringfügig klei­ ner ist. Da die Nuten der vorliegenden Erfindung vorge­ sehen werden, um einen Bereich der Tasche des herkömmli­ chen Luftlagers zu ersetzen, wird das "Preßlufthammer"- Phänomen beträchtlich verringert. Außerdem wird durch die auf das Ring- bzw. Abstandsteil 8 und den Hohlraum 7 zurückzuführende Stabilisierungswirkung das "Preßluft­ hammer"-Phänomen beseitigt, ohne daß auf die Tragfähig­ keit und die Steifigkeit bzw. Härte des aerostatischen Lagers verzichtet wird.

Die Fig. 5 zeigt eine Vorderansicht einer zweiten Aus­ führungsform des erfindungsgemäßen Lagers, bei dem der Lagerkörper, die Tasche und die Nuten nicht auf eine runde Form begrenzt sind. Anders ausgedrückt können diese Teile eine rechteckige oder quadratische Form oder andere geeignete Formen aufweisen. Mit anderen Worten können die Formen des Lagerkörpers 21, der Tasche 22 der Radialnuten 23 und der ringförmigen Nut 24 gemäß den tatsächlichen Anforderungen geändert werden.

Fig. 6 zeigt einen Schnitt einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei diese Ausführungsform eine weitere Verbesserung der Öffnung des Abstandsteiles im Vergleich zu den vorhergehenden Ausführungsformen betrifft, so daß das Strömungsvolumen der Luft noch genauer reguliert werden kann. Da der Aufbau der Tasche und der Nuten bei der dritten Ausführungsform derselbe ist wie bei der ersten oder zweiten Ausführungsform, werden diese Einzelheiten nicht näher erläutert. An dem dem Eingangsdurchgang 32 gegenüberliegenden Ende befindet sich ein Durchgangsloch 33 im Lagerkörper 31, das mit dem Hohlraum 37 in Verbindung steht. Ein Stöpsel bzw. Zapfen 39 ist in dem Durchgangsloch 33 mit der Hilfe von Gewinden derart befestigt, daß er in axialer Richtung einstellbar ist, so daß das Volumen des Hohlraumes 37 einstellbar ist. Der Stöpsel 39 ist mit einem einstellbaren Nadelventil 30 versehen, wobei das konische Ende des Nadelventiles 30 in die Öffnung 381 des Ring- bzw. Abstandsteiles 38 eingesetzt oder aus dieser Öffnung 381 herausbewegt werden kann, um die Querschnittsfläche der Öffnung 381 zu verändern.

Die Fig. 7 zeigt die Funktion der dritten Ausführungs­ form. Das Ringteil 38 wird zuerst zu einer vorgegebenen Position eingestellt. Das Nadelventil 30 wird in eine Position gebracht, in der es von dem Ringteil 38 ge­ trennt ist. Dann tritt die Luft A in den Durchgang 32, um durch die Öffnung 381 des Ringteiles 38 zu strömen und in den Hohlraum 37 einzutreten. Dann kann die Bedienungsperson den Stöpsel 39 einstellen, um das Volumen des Hohlraumes 37 zu verändern, bis das Lager auf einen stabilien Zustand eingestellt ist. Das Nadel­ ventil 30 wird dann eingestellt, um den Luftstrom zu variieren, um so die Stabilität des Luftlagers genauer zu steuern. Schließlich kann das Durchgangsloch 371 mit einer Kappe bzw. einem Deckel 9 verschlossen werden.

Die Fig. 8 zeigt eine Vorderansicht einer vierten Aus­ führungsform der vorliegenden Erfindung. Die Fig. 9 zeigt einen Schnitt durch die Anordnung der Fig. 8 entlang der Linie 9-9. Die Fig. 10 zeigt einen Schnitt entlang der Linie 10-10 der Fig. 9. Die Vorderseite der vierten Ausführungsform weist dieselbe Struktur, nämlich die Tasche 42, die radialen Nuten 43 und die ring­ förmige Nut 44 auf, wie bei der ersten oder zweiten Ausführungsform. Der Lagerkörper 41 weist einen Ein­ gangsdurchgang 45 auf, in dem ein einstellbares Ab­ standsteil 46 montiert ist. Das Abstandsteil 46 weist ein Gewindeloch 461 zur Aufnahme eines Schraubenbolzens 47 auf, durch den das Abstandsteil 46 zur Bewegung angetrieben werden kann. Ein Ende des Schraubenbolzens 47 ist drehbar in einem Loch eines Deckelteiles 49 befestigt, wobei jedoch eine begrenzte axiale Bewegung dazwischen durch Halteringe 491 und 492 möglich ist. Das Deckelteil 49 ist fest am Lagerkörper 41 mit der Hilfe von Schrauben 490 befestigt. Als Ergebnis kann der Schraubenbolzen 47 das Abstandsteil 46 so antreiben, daß es sich zurück oder vorwärts bewegt, um das Volumen des Hohlraumes 450 zwischen den Öffnungen 421 und 463 der Tasche 42 und dem Abstandsteil 8 zu verändern. Das Deckelteil 49 weist ein weiteres Durchgangsloch zur Befestigung eines drehbaren Stabes 48 auf, der in der richtigen Lage festgehalten wird und der durch Halterin­ ge 493 und 494 daran gehindert wird, sich in axialer Richtung zu bewegen. Ein Ende des Stabes 48 ist im Durchgang 45 mit einem Nadelventil 481 verbunden, das axial gleiten kann, aber sich in Bezug auf den Stab 48 nicht drehen kann. Dies kann durch einen Stab 48 er­ reicht werden, der ein rechteckiges Loch zur Aufnahme eines rechteckförmigen Stiftes des Nadelventiles 481 aufweist. Ein Ende des Nadelventiles 481 ist mit Gewin­ den versehen und in ein weiteres Gewindeloch 462 des Abstandsteiles 46 eingesetzt. Wenn das Nadelventil gedreht wird, kann das konische Ende des Nadelventiles 481 näher zu einer Öffnung 463 im Abstandsteil 46 bewegt werden oder von dieser Öffnung 463 weg bewegt werden, um die Luftströmung zu regulieren. Das Gewindeloch 462 im Abstandsteil 46 und die Öffnung 463 sind koaxial zu einem zwischen ihnen liegenden Raum angeordnet, so daß ein Hohlraum 464 zur Aufnahme des konischen Endes des Nadelventiles 481 gebildet wird. An einer Seite des Gewindeloches 462 befindet sich der Eingangsdurchgang 465, (siehe Fig. 10) der in Verbindung mit dem Hohlraum 464 steht. Das Deckelteil 49 weist eine weitere Ein­ gangsöffnung 465 auf, die mit dem Durchgang 45 in Verbindung steht, so daß Luft in den Hohlraum 450 über die Eingangsöffnung 495, die Durchgänge 45 und 465 und die Öffnung 463 fließen kann. Schließlich strömt die Luft durch die Öffnung 421 zur Tasche 42 und den Nuten 43 und 44, um eine Lagerfunktion zu erfüllen. O-Ringe sind zwischen dem Abstandsteil 46 und dem Durchgang 45 und auch zwischen dem Schraubenbolzen 47, dem einstell­ baren Stab 48 und dem Deckelteil 49 jeweils befestigt, um Dichtungsteile zu bilden, die ein Entweichen von Luft verhindern.

Beim Betrieb kann das Volumen des Hohlraumes 450 dadurch eingestellt werden, daß die Position des Abstandsteiles 46 durch Verdrehen des Schraubenbolzens 47 verschoben bzw. bewegt wird. Gleichzeitig kann das Nadelventil 481 frei in dem Stab 48 gleiten, ohne daß die Relativposi­ tion zwischen dem Nadelventil 481 und der Öffnung 463 beeinträchtigt wird. Wenn es nach der Einstellung des Volumens des Hohlraumes noch einen geringfügig unstabi­ len Zustand gibt, kann der Stab 48 gedreht werden, um das Nadelventil 481 zur Einstellung der Strömung durch die Öffnung 463 zu bewegen.

Die Erfindung betrifft ein aerostatisches Lager mit einer einstellbaren Stabilisierungseinrichtung, das im Zusammenhang mit einer linearen Gleit- bzw. Laufschiene eines Präzisionsprüfinstrumentes oder einer Präzisions­ werkzeugmaschine usw. anwendbar ist. Das Lager umfaßt einen Lagerkörper mit einer runden oder anders geformten Ebene. Die Ebene weist eine Tasche, eine Mehrzahl von radialen Nuten und eine ringförmige Nut auf, die miteinander in Verbindung stehen. Der Außenrand des Lagerkörpers weist einen Lufteingang auf, der über einen Eingangsdurchgang verlängert ist und mit einem Bereich in der Nähe der Tasche in Verbindung steht. Der Eingangsdurchgang steht mit der Tasche über eine erste Öffnung in Verbindung. Ein Abstandsteil mit einer zwei­ ten Öffnung ist bewegbar in dem Eingangsdurchgang ange­ ordnet, so daß zwischen den beiden Öffnungen ein Hohl­ raum gebildet wird. Wenn die Position des Abstandsteiles verändert wird, wird das Volumen des Hohlraumes zur Einstellung des Lagers auf einen stabilien Zustand variiert. Außerdem ist die zweite Öffnung so beschaffen, daß sie durch ein Nadelventil derart beaufschlagt werden kann, daß die Volumengeschwindigkeit der durch die zweite Öffnung strömenden Eingangsluft zur Erzielung des besten Ergebnisses eingestellt werden kann.

Claims (4)

1. Aerostataisches Lager mit einer einstellbaren Stabilisierungseinrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß ein Lagerkörper (1; 21; 31; 41) eine Ebene (2) aufweist, in der eine Tasche (3; 22; 42) und eine erste Öffnung (4; 421) vorgesehen sind, die in Verbindung mit einem Eingangsdurchgang (12, 32; 45) steht, der in dem Lager­ körper (1, 21; 31; 41) vorgesehen ist, daß ein bewegba­ res Abstandsteil (8; 38; 46), das eine zweite Öffnung (81; 381; 463) aufweist innerhalb des Eingangsdurchgan­ ges (12; 32; 45) angeordnet ist, so daß in dem Eingangs­ durchgang (12; 32; 45) zwischen der ersten Öffnung (4) und der zweiten Öffnung (81; 381; 463) ein Hohlraum (7; 37; 450) zur Regulierung der Einströmgeschwindigkeit und des Luftvolumens gebildet ist, und daß die Ebene (2) eine ringförmige Nut (6; 24; 44), die um die Tatsche (3; 22; 42) herum verläuft und eine Mehrzahl von radialen Nuten (5; 23; 43) aufweist, die die Tasche (3; 22; 42) mit der ringförmigen Nut (6; 24: 44) verbindet, um die Arbeitsfläche der Tasche (3; 22; 42) zu vergrößern und das Gesamtvolumen der Tasche (3; 22; 42) zu verkleinern.

2. Lager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß in der zweiten Öffnung (381; 463) ein Nadelven­ til (30, 481) zur Veränderung der Querschnittsfläche der zweiten Öffnung befestigt ist.

3. Lager nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich­ net, daß das Nadelventil (30) an der dem Eingangsdurch­ gang (32) gegenüberliegenden Seite angeordnet ist, und daß Gewindeeinrichtungen (39) zur Bewegung des Nadella­ gers (30) vorgesehen sind, um die Position desselben in Bezug auf die zweite Öffnung (381) einzustellen.

4. Lager nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich­ net, daß das Nadelventil (481) an derselben Seite wie der Eingangsdurchgang (45) angeordnet ist und in das Abstandsteil (46) unter Verwendung einer Gewindeeinrich­ tung (462) zur Einstellung der Position des Nadelven­ tiles (481) in Bezug auf die zweite Öffnung (463) eingesetzt ist, daß ein Deckelteil (49) mit einer Ein­ gangsöffnung am Öffnungsbereich des Eingangsdurchganges (45) befestigt ist, der mit der Eingangsöffnung in Verbindung steht, daß im Deckelteil (49) ein Schrauben­ bolzen (47) und ein Stab befestigt sind, die in dem Deckelteil (49) drehbar aber nicht axial beweglich sind, daß der Schraubenbolzen (47) und das Abstandsteil (46) zur Bewegung des Abstandsteiles (46) in Vorwärts- und Rückwärtsrichtung durch ein Gewindeteil (45) miteinander verbunden sind, daß bei einer Drehung des Schraubenbol­ zen (47) der einstellbare Stab und das Nadelventil (481) zusammen in axiale Richtung gleiten und verdreht werden, so daß die Bewegung des Abstandssteiles (46) nicht die relative Position zwischen dem Nadelventil (481) und der zweiten Öffnung (463) beeinträchtigt und daß diese relative Position nur bei einer Drehung des Stabes verändert wird.