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Koordinatenmeßmaschine
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Die Erfindung bezieht sich auf Einrichtungen zur Längen- und Winkelmessung,
insbesondere auf Koordinatenmeßmaschinen und kann zum Messen von Längen- und Winkelparametern
kompliziert gestalteter Werkstücke wie Gehäuse, Gesenke, Turbinenschaufeln u.a.
verwendet werden.
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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 Tastspitzen zum Abtasten des zu messenden
Werkstückes tragen. Mittels einer besonderen Einrichtung wird die Bewegungsgenauigkeit
des Tastspitzensystems erhöht.
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Diese Meßmaschineist jedoch kompliziert und kann die hohen Anforderungen
an die Genauigkeit der Bewegung
von Tastspitzen nicht erfüllen.
Praktisch ist diese bekannte Ausführung für die Benutzung in Präzisions-Koordinatenmeßmaschinen
ungeeignet.
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Aus der GB-PS 2 099 151 ist eine Koordinatenmeßmaschine 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 beweglicher Pinole montiert ist. Das Auflagerteil des Portals ist
auf aerostatischen Lagern angeordnet, von denen jedes einen Lagerkörper enthält,
der mit der ihm zugewandten Oberfläche des Sockels bei Druckluftzufuhr einen Arbeitsspalt
bildet und ein System von Druckluft-Einblasbohrungen aufweist, welches mit dem Arbeitsspalt
kommuniziert. Die Maschine hat eine kinematische Vorrichtung, die das Absacken der
aerostatischen Lager infolge ihrer veränderlichen Belastung bei Verschiebung des
Schlittens kompensiert. 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.
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Der Abstand zwischen den Lagern wird mittels einer mechanischen Regelvorrichtung
geändert, die mit dem Schlitten kinematisch verbunden ist.
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Nachteil auch dieser bekannten Maschine ist ihre durch mehrere Faktoren
bedingte geringe Genauigkeit. 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 verfälscht werden. Außerdem wird ein Absacken der aerostatischen
Lager des Portals in Abhängigkeit von der Änderung der Schlittenlage in Bezug auf
das Portal nicht kompensiert.
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Die Maschine hat viele gleitende Teile, die ihre Zuverlässigkeit
und Stabilität verringern.
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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 folglich die Meßgenauigkeit der Maschine
herabsetzt.
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Diese größeren Spalte ergeben eine kleinere Vibrationsdämpfung und
verringern somit die Schnellwirkung und Leistungsfähigkeit der Maschine. Schließlich
kann Staub in die relativ großen Arbeitsspalte 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 vorgegebene Meßgenauigkeit
erreicht die bekannte Koordinatenmeßmaschine deswegen nur in Räumen mit zusätzlich
gereinigter Luft.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Koordinatenmeßmaschine
zu schaffen, bei welcher durch wirksame Kompensation des Absackens der aerostatischen
Lager bei Lageänderungen der beweglichen
Maschinenteile eine höhere
Meßgenauigkeit bei gleichzeitig vereinfachtem Aufbau erreicht wird.
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Diese Aufgabe wird bei einer Koordinatenmeßmaschine mit einem Sockel
zum Aufstellen des zu messenden Werkstückes, mit einem relativ zum Sockel beweglichen
Tastspitzensystem zum Abtasten des Werkstückes beim Messen seiner geometrischen
Parameter und mit einer Vorrichtung zum Bewegen des Tastspitzensystems, welche mit
dem Sockel mittels aerostatischer Lager zusammenwirkt, von denen jedes Lager einen
Lagerkörper besitzt, der mit der ihm zugewandten Oberfläche des Sockels einen Arbeitsspalt
bildet und ein mit dem Arbeitsspalt kommunizierendes System von Druckluft-Einblasbohrungen
aufweist, erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Lagerkörper jedes aerostatischen
Lagers auf seiner der Vorrichtung zum Bewegen des Tastspitzensystems zugewandten
Seite einen als elastisches Element ausgebildeten Vorsprung aufweist, der das Auflagerteil
der Vorrichtung zum Bewegen des Tastspitzensystems umfaßt und zwischen der Oberfläche
des Lagerkörpers des aerostatischen Lagers und der dem Lagerkörper gegenüberliegenden
Oberfläche des Auflagerteils einen geschlossenen Hohlraum bildet, der mittels mindestens
eines Drossellochs mit einer Druckluftquelle und unmittelbar mit dem System von
Druckluft-Einblasbohrungen des aerostatischen Lagers in Verbindung steht.
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Die Aufgabe der Erfindung wird auch dadurch gelöst, daß in einer
Koordinatenmeßmaschine mit einem Sockel zum Aufstellen des zu messenden Werkstückes
sowie mit einem relativ zum Sockel beweglichen
Tastspitzensystem
zum Abtasten des Werkstückes beim Messen seiner geometrischen Parameter und mit
einer Vorrichtung zum Bewegen des Tastspitzensystems, welche mit dem Auflagerteil
in der Art eines sphärischen Gelenkes versehen ist und mit dem Sockel mittels aerostatischer
Lager zusammenwirkt, von denen jedes einen Lagerkörper besitzt, der mit der ihm
zugewandten Oberfläche des Sockels einen Arbeitsspalt bildet und ein mit dem Arbeitsspalt
kommunizierendes System von Druckluft-Einblasbohrungen aufweist, erfindungsgemäß
zwischen dem Auflagerteil der Vorrichtung zum Bewegen des Tastspitzensystems und
dem Lagerkörper jedes aerostatischen Lagers ein zweiter Lagerkörper eingebaut wird,
der mit der Vorrichtung zur Bewegung des Tastspitzensystems mittels eines sphärischen
Gelenkes dieser Vorrichtung zusammenwirkt, während der erste Lagerkörper jedes aerostatischen
Lagers mit einem als elastisches Element ausgebildeten Vorsprung versehen wird,
der den zweiten Lagerkörper umfaßt und zwischen den benachbarten Flächen dieser
Lagerkörper einen geschlossenen Hohlraum bildet, welcher mittels mindestens eines
Drosselloches mit der Druckluftquelle und unmittelbar mit dem System von Druckluft-Einblasbohrungen
des aerostatischen Lagers in Verbindung steht.
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Bei der Messung der geometrischen Parameter von Werkstücken weist
eine derart aufgebaute Maschine gegenüber den bekannten Ausführungen eine bedeutend
höhere Meßgenauigkeit auf.
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Im folgenden wird die Erfindung durch Beschreibung von Ausführungsbeispielen
unter Bezugnahme
auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 : eine Gesamtansicht einer Koordinatenmeßmaschine; 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 aerostatischen 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 Koordinatenmeßmaschine
im Schnitt, in der das Portal durch ein sphärisches Lager abgestützt ist; Fig. 8:
eine graphische Darstellung der Abhängigkeit der Arbeitsspalthöhe eines aerostatischen
Lagers von der Belastung dieses Lagers.
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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.
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Auf dem Sockel 1 ist ein verschiebbares Portal 4 mittels aerostatischer
Lager 5 gelagert. Am Portal 4 befindet sich ein Schlitten 6, in dem eine Pinole
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mit dem Tastspitzensystem 3 eingebaut ist. Die Maschine besitzt
eine Druckluftquelle 8, die mit allen aerostatischen Lagern 5 verbunden ist.
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Die aerostatischen Lager enthalten je einen Lagerkörper 9 (Fig. 2),
der mit der ihm zugewandten Oberfläche 10 des Sockels 1 einen Arbeitsspalt 11 bildet.
Der Lagerkörper 9 weist ein System von Druckluft-Einblasbohrungen 12 auf. In Fig.
3 ist eine Ansicht dieser Bohrungen 12 dargestellt, deren Einlaßenden durch eine
Nut 13 in der Oberfläche 14 (Fig. 3 und 4) verbunden und in einem Kreis gleichmäßig
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.
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Außerdem sind mehrere Bohrungen 12 (Fig. 2) über einen Zentralkanal
17 miteinander verbunden, der im Lagerkörper 9 unter einem Winkel (vorzugsweise
senkrecht) zu den Bohrungen 12 verläuft und durch einen Stopfen 18 verschlossen
ist.
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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 Auflagerteil
20 sind durch Schrauben 23 dicht miteinander verbunden, die in einen Ringflansch
am Auflagerteil 20 eingeschraubt sind.
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Ober ein Rohr 24 und eine Drosselbohrung 25 (Fig. 2 und 6) steht
der Hohlraum 22 mit der Druckluftquelle 8 (Fig. 1) in Verbindung.
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In Fig. 6 sind auch Nuten 26 dargestellt, die zwecks der Druckluftverteilung
zum Hohlraum 22 (Fig. 2) von der Drosselbohrung 25 radial ausgehen.
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Bei der Ausführung eines aerostatischen Lagers einer Koordinatenmeßmaschine
nach Fig.7 ist das Auflagerteil des Portals 27 als sphärisches Gelenk 28 ausgebildet
und mit einer Schraube 29 am Portal 27 befestigt. Zwischen dem Auflagerteil des
Portals 4 und dem Lagerkörper 9 ist eine Lagerplatte 30 mit einer sphärischen Pfanne
für das Gelenk 28 vorgesehen.
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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.
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Die Koordinatenmeßmaschine funktioniert folgenderweise.
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Das zu messende Werkstück 2 wird auf den Maschinensockel 1 aufgestellt,
dann wird die Druckluft von der Druckluftquelle 8 in die aerostatischen Lager 5
über das Rohr 24 und die Drosselbohrung 25 eingeblasen. Dabei strömt die Druckluft
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 Hohlraum 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.
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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 Arbeitsspalt 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 gehoben, dabei soll die Zahl
der aerostatischen Lager größer als drei sein.
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Um die erforderlichen Vorgänge zur Messung der geometrischen Parameter
des Werkstücks 2 durchzuführen, kann das Portal 4 auf dem Maschinensockel 1 in Richtung
der Koordinatenachse "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.
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Bei Verschiebung des Schlittens 6 mit der Pinole 7 und den Tastspitzen
3 ändert sich bekanntlich die Belastung AP der Lager 5, was eine Änderung des Arbeitsspaltes
11 zur Folge
hat. Dies wird von einer Verformung des Seitenständers
des Portals 4 und von einer Schiefstellung seines Querjochs begleitet, was zu ungenauen
Messungen führt.
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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 Arbeitsspaltes 11 (Fig.
2) von der Belastung P des aerostatischen Lagers 5 in Form der Kurve 34 und die
Abhängigkeit des Spaltes zwischen dem Auflagerteil 20 des Portals 4 und dem Sockel
1 von der Belastung P - Kurve 35 - dargestellt sind.
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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 Luftdruckgefälle im Drosselloch 25
kleiner wird. Infolge des höheren Luftdrucks im Hohlraum 22 vergrößert 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.
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Gleichzeitig mit der Vergrößerung des Abstands zwischen den Flächen
21 und 14 wird das Luftdruckgefälle im Hohlraum 22 zwischen dem Drosselloch 25 und
den Bohrungen 12 kleiner, was zum Luftdruckanstieg im Arbeitsspalt 11 und folglich
zur größeren
Steifheit des aerostatischen Lagers 5 führt. Mit größerwerdendem
Abstand der Flächen 21 und 14 wird dabei der Druck im Hohlraum 22 gleichmäßiger
verteilt, zugleich nimmt auch die Kraft zu, die das elastische Element des Lagerkörpers
9 verformt.
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Umgekehrt führt das Kleinerwerden des Arbeitsspaltes 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 Lagerkörper 9 ab, die nach dem Zusammenbau der ganzen Maschine eingestellt
wird.
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Es werden nun zwei Varianten bei der Wahl der Steifigkeit des Ansatzes
19 betrachtet.
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1. Wenn die Ständer des Portals 4 und die Verbindungen seiner einzelnen
Baugruppen sowie andere Bauelemente genügend steif sind, soll durch die Wahl der
Steifheit des elastischen Ansatzes 19 die Bedingung H1' - H1 = H2 - H2' (Fig. 8)
eingehalten werden.
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Bei dieser Variante der Steifheitswahl verschiebt sich infolge der
veränderlichen Belastung des aerostatischen Lagers 5 nur sein Lagerkörper 9 vertikal
um die Höhe H2 - H2', während sich die Lage des Auflagerteils 20 des Portals 4 nicht
ändert und
folglich auch die Lage des Horizontalbalkens des Portals
4 unverändert bleibt.
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2. Wenn die Ständer des Portals 4 eine Verformung von der Größe 8
erleiden, soll die Steifheit der Vorsprünge 19 herabgesetzt werden, um die Bedingung
H2' + H3 - (H2 + H3) = E 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 E der Baugruppen
des Portals 4 infolge der Belastungsänderung um die Größe # P angibt.
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In ähnlicher Weise können die übrigen beweglichen Baugruppen der
Maschine eingestellt werden, deren Stützen veränderliche Belastungen erfahren und
bei denen das Absacken ihrer aerostatischen Lager die Meßgenauigkeit beeinträchtigt.
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Bei der erfindungsgemäßen Ausführung begrenzt außerdem die dreifache
Drosselung der Druckluft vor ihrem Eintritt in die Arbeitsspalte der aerostatischen
Lager den Luftverbrauch, und die Vergrößerung 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 Druckluftquelle zugeführten Druckluft wenig empfindlich und verbrauchen
wenig Luft. Bei der Bewegung auf der Oberfläche der Führungen des Maschinensockels
reinigen
die aerostatischen Lager mit kleinen Spalten außerdem diese Flächen von Staubansammlungen
und Verunreinigungen.
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Der Einsatz der erfindungsgemäßen Koordinatenmeßmaschine 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 Beeinflussung der Temperaturverhältnisse beim Betrieb der Maschine
durch die Druckluft zu verringern.
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Die erfindungsgemäß ausgebildeten aerostatischen Lager mit zusätzlichem
geschlossenem Luftraum von last- und druckabhängig elastisch veränderbarem Volumen
können auch bei anderen Vorrichtungen eingesetzt werden, bei denen es u.a. auf hohe
Lagegenauigkeiten ankommt.
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