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Die
Erfindung betrifft ein Gaslagersystem, das zwei gegenüberliegende
im Wesentlichen parallele Lagerflächen und mindestens eine Gasleitung
für das
Zuführen
von Gas durch eine Öffnung
in den Lagerspalt zwischen den Lagerflächen umfasst, wobei mindestens
eine der Lagerflächen
mit mindestens einem Hohlraum versehen ist. Ein solches Gaslager
ist aus jedem der Dokumente
US
3 719 405 ,
US 6 164 827 ,
WO 02/12742 und
US 5 800 066 bekannt.
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Das
Gaslagersystem kann im Wesentlichen flache Lagerflächen aufweisen,
so dass es zum Stützen
und zum Führen
eines Körpers,
der eine translatorische Bewegung ausfährt, verwendet werden kann.
Solche Gaslagersysteme werden häufig
als führende
und stützende
Elemente in Hochpräzisionsmaschinen
verwendet. Die Lagerflächen
können auch
eine zylindrische Form aufweisen, so dass ein rotierender Körper gestützt werden
kann. Andere Formen – die
an die relative Bewegung der Lagerflächen adaptiert sind – sind ebenso
möglich,
beispielsweise eine sphärische
Form, um einen Körper
zu stützen,
der eine taumelnde Bewegung ausführt.
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Im
Allgemeinen muss ein solches Gaslagersystem eine relativ hohe Steifheit
aufweisen, aber ebenso muss eine effektive Dämpfung von Schwingungen im
Lagersystem vorhanden sein, insbesondere wenn das Gaslagersystem
in Hochpräzisionsmaschinen,
wie Koordinatenmessmaschinen, verwendet wird.
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Um
eine hohe Servoleistung zu erreichen, müssen Gaslagersysteme bestimmte
Anforderungen hinsichtlich Steifheit und Dämpfung erfüllen. Insbesondere wenn Gaslagersysteme
in Hochpräzisionsmaschinen
verwendet werden, können
die Steifheit und die Dämpfung
des Gaslagers einen signifikanten Einfluss auf die gesamte dynamische
Leistung der Maschine haben. Häufig
sind solche Gaslager hinsichtlich der Steifheit optimiert, aber
um eine hohe Servoleistung zu erreichen, ist die Dämpfung ebenso ein
wichtiges Thema.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, eine Verbesserung von Gaslagersystemen hinsichtlich
einer beträchtlich
höheren
Dämpfung
bereitzustellen, während
die Steifheit relativ hoch bleibt.
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Um
diese Aufgabe zu lösen,
ist mindestens eine der Lagerflächen
mit mindestens einem Hohlraum versehen, der sich über 0,3
mm2 bis 3 mm2, vorzugsweise über 0,5
mm2 bis 2 mm2, der
mindestens einen Lagerfläche
erstreckt. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Inhalt des
Hohlraums zwischen 0,3 mm3 und 4 mm3, vorzugsweise zwischen 0,5 mm3 und
2 mm3 und besonders bevorzugt zwischen 0,7
mm3 und 1,5 mm3.
Ein oder mehrere Hohlräume
können
in einer der Lagerflächen
vorliegen, aber auch beide Lagerflächen können mit solchen Hohlräumen versehen
sein.
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In
der Praxis hat sich herausgestellt, dass ein solcher Hohlraum und
insbesondere mehrere solcher Hohlräume nur wenig Einfluss auf
die Steifheit des Lagers haben, so dass die Steifheit hoch bleibt,
aber das Vorhandensein solcher Hohlräume erhöht deutlich die Kapazität der Schwingungsdämpfungen
im System.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
führt die
Gasleitung Gas durch eine Öffnung
in der Wand des Hohlraums zu diesem Hohlraum. Sofern mehr als eine
Gaszufuhrleitung vorhanden ist, kann jede der Gaszufuhrleitungen
an ihrem Ausgang mit einem Hohlraum versehen sein, und abgesehen
davon können
mehrere Hohlräume
in den Lagerflächen
vorliegen.
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Ein
Gaslagersystem, dass am Ausgang der Gaszufuhrleitung mit einem Hohlraum
versehen ist, ist in
US-A-4
844 194 beschrieben, wobei eine Anzahl von Hohlräumen in
einer der Lagerflächen
vorliegen und eine Öffnung
für das
Zuführen
von Gas zum Lagerspalt zwischen den im Wesentlichen parallelen Lagerflächen in
der Wand eines jeden Hohlraums vorliegt. Die Abmessungen der Hohlräume sind
sehr klein, aber der parallel zu den Lagerflächen angeordnete Durchmesser
ist groß,
um eine Drosselwirkung zwischen dem Ausgang der Öffnung und der gegenüberliegenden
Lagerfläche
zu vermeiden. Ohne den kleinen Hohlraum würde am Ausgang der Öffnung eine
relativ starke und unterschiedliche Drosselwirkung vorliegen, verursacht
durch den kleinen und unterschiedlichen Abstand zwischen den beiden
Lagerflächen.
Der Abstand zwischen den beiden im Wesentlichen parallelen Lagerflächen beträgt zum Beispiel
zwischen 0,005 mm und 0,01 mm, und der Durchmesser der Öffnung beträgt zum Beispiel 0,1
mm und 0,2 mm.
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Vorzugsweise
ist die Tiefe des Hohlraums mindestens zweimal, vorzugsweise mindestens
viermal, noch bevorzugter mindestens sechsmal so groß wie der
Durchmesser der Öffnung,
wobei die Öffnung einen
Durchmesser zwischen 0,05 mm und 0,3 mm aufweist, vorzugsweise zwischen
0,07 mm und 0,25 mm und noch bevorzugter zwischen 0,1 mm und 0,2 mm.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
beträgt
das Maß des
Hohlraums in einer Richtung parallel zur Lagerfläche zwischen 0,5 mm und 2,5
mm, vorzugsweise zwischen 0,5 mm und 1,5 mm, noch bevorzugter zwischen
0,7 mm und 1,2 mm. Der Hohlraum kann eine im Wesentlichen zylindrische
Form aufweisen, wobei die Achse des Zylinders im Wesentlichen senkrecht
zu den im Wesentlichen parallelen Lagerflächen ausgerichtet ist. Ein
solcher Hohlraum kann durch einen Material entfernenden Bohrvorgang
leicht hergestellt werden.
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Vorzugsweise
beträgt
die Tiefe des Hohlraums zwischen 0,3 mm und 2 mm, noch bevorzugter zwischen
0,5 mm und 1,5 mm und in einer noch bevorzugteren Ausführungsform
zwischen 0,7 mm und 1,2 mm.
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Sehr
gute Ergebnisse konnten in einem Gaslagersystem erzielt werden,
das eine quadratische, ebene Lagerfläche mit Seiten von 40 mm umfasst, wobei
eine der Lagerflächen
mit vier zylindrischen Hohlräumen
mit einem Durchmesser von 1,5 mm und einer Tiefe von 1 mm versehen
ist und die Gaszufuhrleitung in einen der Hohlräume mündet, wobei der Durchmesser
der Öffnung
0,15 mm beträgt.
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Die
Erfindung betrifft weiterhin eine Hochpräzisionsmaschine, die ein Gaslagersystem
umfasst, wie oben beschrieben.
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Die
Erfindung wird hierin im Folgenden anhand einer Beschreibung der
verschiedenen Ausführungsformen
eines Gaslagersystems, das ebene Lagerflächen aufweist, unter Bezugnahme
auf eine Zeichnung näher
erläutert.
Es zeigen:
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1 eine
perspektivische Schnittansicht eines Gaslagersystems nach dem Stand
der Technik,
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2 eine ähnliche
Ansicht einer ersten Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Gaslagersystems,
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3 eine ähnliche
Ansicht einer zweiten Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Gaslagersystems
und
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4 wiederum
ein Gaslagersystem nach dem Stand der Technik.
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Die
Abbildungen sind lediglich schematische Darstellungen der Ausführungsformen,
in denen einige Maße
nicht proportional dargestellt sind, um eine bessere Darstellung
der relevanten Details zu erzielen.
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1 zeigt
ein Gaslagersystem, das einen ersten Lagerkörper 1, der eine Lagerfläche 2 aufweist,
die einer zweiten Lagerfläche 3 eines
zweiten Lagerkörpers 4 gegenüberliegt,
umfasst. Gemäß dieser
Ausführungsform
sind beide Lagerflächen 2, 3 ebene
Flächen
und die Lagerflächen 2, 3 sind
parallel zueinander ausgerichtet. Die Lagerkörper 1, 4 können aus
Metall oder Kunststoff oder einem anderen Material bestehen.
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Zwischen
den beiden Lagerflächen 2, 3 ist ein
Lagerspalt 5 angeordnet, in den Luft oder ein anderes Gas
durch eine Luftzufuhrleitung 6 im Lagerkörper 1 geführt wird.
Luftzufuhrleitung 6 endet nahe der Lagerfläche 2 und
ist durch eine Öffnung 7,
die die Luftzufuhr einschränkt,
mit dem Lagerspalt 5 verbunden.
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Der
erste Lagerkörper 1 kann
an einer fixierten Stelle in einer Maschine vorliegen, während sich die
zweite Lagerfläche 3 des
zweiten Lagerkörpers 4 über die
fixierte erste Lagerfläche 2 bewegen
kann, um einen anderen Teil der Maschine zu führen und zu stützen. Lagerkörper 4 ist
durch ein Luftpolster im Lagerspalt 5 zwischen den beiden
Lagerflächen 2, 3 gestützt. Es
kann mehr als eine Öffnung 7 vorliegen,
um Luft zum Lagerspalt 5 zwischen den beiden Lagerflächen 2, 3 zu
führen,
um das Luftpolster aufrecht zu erhalten. Ebenso ist es möglich, den
beweglichen Lagerkörper 4 anstelle
der Luftzufuhrleitung 6 im Lagerkörper 1 oder zusätzlich zur
Luftzufuhrleitung 6 mit einer Luftzufuhrleitung zu versehen.
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Die
Abmessungen des Lagersystems können
folgendermaßen
sein. Die Lagerflächen 2, 3 können ein
Maß von
ungefähr
20 cm2 aufweisen. Der Abstand zwischen den
beiden Lagerflächen 2, 3 kann zwischen
0,005 mm und 0,01 mm betragen. Der Durchmesser der Öffnung 7 kann
zwischen 0,1 mm und 0,2 mm betragen und seine Länge zum Beispiel 1 mm.
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2 zeigt
eine erste Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Gaslagersystems.
Die Lagerfläche 2 ist
mit einem Hohlraum 8 und mit zwei Hohlräumen 9 versehen. Alle
drei Hohlräume 8, 9 haben
eine zylindrische Form bei einem Durchmesser von 1,5 mm und einer
Länge (oder
Tiefe) von 1 mm. Die Achse des Zylinders ist senkrecht zur Lagerfläche 2 gerichtet.
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Jeder
Hohlraum 9 ist an allen Seiten geschlossen, ausgenommen
der Seite, die dem Lagerspalt 5 zugewandt ist. Luftzufuhrleitung 6 ist
durch eine Öffnung 7 im
Boden des Hohlraums 8 mit Hohlraum 8 verbunden,
so dass die zugeführte
Luft durch den Hohlraum 8 fließt, bevor sie den Lagerspalt 5 zwischen
den beiden Lagerflächen 2, 3 erreicht.
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Es
hat sich herausgestellt, dass das Vorhandensein von einem oder mehreren
Hohlräumen 8, 9 in
der Lagerfläche 2, 3 einen
deutlichen Anstieg der Kapazität
der Schwingungsvibrationen im Gaslagersystem zur Folge hat, d. h.
Schwingungen des Lagerkörpers 4 bezüglich Lagerkörper 1 bei
Erhaltung der hohen Steifheit des Lagersystems.
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3 zeigt
eine zweite Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Gaslagersystems,
wobei ähnliche
Teile durch die gleichen Bezugszeichen angegeben sind wie in 2.
In dieser Ausführungsform
ist die Achse 12 der Luftzufuhrleitung 6 parallel zur
Lagerfläche 2 angeordnet.
Es gibt eine Anzahl von Öffnungen 7 zwischen
der Luftzufuhrleitung 6 und dem Lagerspalt 5 zwischen
den beiden Lagerflächen 2, 3;
nur zwei solcher Öffnungen
sind in 3 gezeigt. Die Hohlräume 8 ebenso wie die Öffnungen 7 werden
durch einen Material entfernenden Bohrvorgang hergestellt.
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Ein
weiterer Vorteil der Verwendung der Hohlräume 8 im Gaslagersystem,
wie in 3 gezeigt, ist das Vorhandensein von mehr Material
zwischen der Luftzufuhrleitung 6 und der Lagerfläche 2. Die
Dicke dieses Materials ist gleich der Länge der Öffnung 7 plus der
Tiefe des Hohlraums 8. Diese erhöhte Dicke erleichtert die Herstellung
von Lagerkörper 1 des
Gaslagersystems. Das Maß 10 dieses
Materials, d. h. die Dicke, ist in 3 angezeigt.
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4 zeigt
ein ähnliches
Gaslagersystem nach dem Stand der Technik, wobei Maß 11 ebenfalls der
Abstand zwischen der Luftzufuhrleitung 6 und der Lagerfläche 2 ist.
Da die Länge
von Öffnung 7 begrenzt
ist, ist das Maß 11 viel
kleiner als das Maß 10 in 3,
so dass das Material zwischen Luftzufuhrleitung 6 und Lagerfläche 2 sehr
dünn ist.
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Die
oben beschriebenen Ausführungsformen sind
lediglich Beispiele; eine Vielzahl anderer Ausführungsformen sind möglich, zum
Beispiel Gaslagersysteme mit zylindrischen Lagerflächen, wo
einer der Lagerkörper
um die Achse des Zylinders rotiert und die Hohlräume für die Schwingungsdämpfung im System
in mindestens einer der Lagerflächen
vorliegen. Andere Formen – die
an die relative Bewegung der Lagerflächen 2, 3 angepasst
sind – sind
ebenfalls möglich,
zum Beispiel eine sphärische
Form, um einen Lagerkörper 4 zu
stützen,
der eine taumelnde Bewegung ausführt.