DE69217667T2 - Gleitschienenaufbau - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Gleit-Bauteilgruppe, insbesondere eine Bauteugruppe, die Präzisionsführung eines Gleitbauteils vorsieht.
• Bei vielen unterschiedlichen Arten von Maschinen oder Instrumenten ist eine höchst genaue und reibungsarme Führung von gleitenden, länglichen Bauteilen notwendig, wobei eine dreidimensionale Koordinatenmeßvorrichtung als repräsentatives Beispiel angesehen werden kann. Eine Koordinatenmessung erfordert die Bewegung eines Meßelements relativ zu einem stationären Gegenstand zum Beispiel eines Meßfühlers der den Gegenstand berührt, und Aufzeichnung der Bewegung des Elements in Relation zu einem Bezugspunkt, um so ein zweidimensionales oder dreidimensinales Meßprofil des Gegenstandes zu erstellen. Bei einer typischen Konstruktion einer solchen Meßvorrichtung wird ein Meßfühler durch eine Spindel mit einem quadratischen, länglichen oder kreisförmigen Profil getragen, die in einem Schlitten an einer Brücke montiert ist, die relativ zu einem Stütztisch für den Gegenstand bewegbar ist. Eine Bewegung des Meßfühlers in Richtung der Z-Achse geschieht durch Axialverschiebung der Spindel in dem Lagergehäuse an dem Schlitten, eine Bewegung in Richtung der Y-Achsen geschieht durch Verschiebung des Schlittens an der Brücke und eine Bewegung der X-Achsen geschieht durch Verschiebung der Brücke über den Tisch. Die Genauigkeit der aus Signalen erlangten Messungen, welche durch Zusammenwirkung des Meßfühlers mit dem Gegenstand hervorgerufen wird, ist stark abhängig von der Genauigkeit der Spindelverschiebung, insbesondere ihres Bewegungsweges entlang einer präzise fixierten Achse. Beliebige Abweichungen von dieser Achse spiegeln sich letztlich in dem Meßergebnis wider.
• Um eine präzise und reibungsarme Führung der Spindel bei einer solchen Meßvorrichtung sicherzustellen, ist es allgemein üblich, das Lagergehäuse für die Spindel als Luftlagerhülse, die ein Teilstück der Spindel umschließt, vorzusehen. Ein Beispiel dieses Standes der Technik ist in der GB-A-2 228 570 dargestellt, bei welcher eine zylindrische Luftlagerhülse in zwei axial beabstandete Längen-Teiltücke unterteilt ist, welche die Spindel lagern und an einem Trägerrahmen fest montiert sind. Die peripheren Oberflächen der Spindel und der Führungsdurchlaß der Hülse oder jedes Hülsenstückes müssen auf einen äußerst genauen Standard der Parallelität und Gleichmäßigkeit des Profils poliert werden, was für die Herstellung der Bauteilgruppe beträchtliche Kosten mit sich bringt. Probleme, die sich aus der maschinellen Bearbeitung der Spindeloberfläche und des Hülsendurchlasses ergeben, sind lokale Schwankungen beim Durchmesser oder bei der Breite und auch eine graduelle Änderung, die eine verjüngung zur Folge hat. Falls irgendwelche derartige Abweichungen der Spindel- und Bohrungsdurchmesser oder - breiten von ihren nominalen Werten vorhanden sind, kann die Spindelverschiebung in der Hülse von einer vorgebenen Achse abweichen.
• Aus der EP-A 0 285 453 ist es bekannt, die einzelnen Teilstücke einer geteilten zylindrischen Lagerhülse relativ zu einem umschließenden Gehäuse nachgiebig abzustützen, so daß die Lagerteilstücke selbstanpassend sind, um winklige oder seitliche Abweichungen einer gelagerten Welle unter Last aufzunehmen. In einem solchen Fall ist die Wellenachse nicht fixiert, und die nachgiebige Abstützung läßt eher eine Anpassung zu als sie eine Bewegung der Achse verhindert.
• Es ist daher die Hauptaufgabe der Erfindung, eine Gleit-Bauteilgruppe vorzusehen, bei welcher eine höchst genaue Führung eines axial verschiebbaren Bauteils durch wirtschaftlichere Messungen erreicht werden kann. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Bauteilgruppe vorzusehen, welche eine Anpassungsmöglichkeit einschließt, die ein präzises Einstellen der Führung des Bauteils ermöglicht.
• Andere Aufgaben und Vorteile der Erf indung werden aus der folgenden Beschreibung deutlich.
• Die Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung wird durch eine Gleit- Bauteilgruppe gelöst, welche die in Anspruch 1 angegebenen Merkmale aufweist.
• Durch die im wesentlichn gleiche Beabstandung des Luftlagers oder jedes Satzes der Lager um die Peripherie des Bauteils herum und die Anordnung der Lager, die um eine transversale Ebene des Bauteils symmetrisch sein muß, ist jedes Lager so angeordnet, daß der Lagerkraft, die es mittels eines Druckluftfilms auf die Oberfläche des Bauteils ausübt, eine Kraft entgegengesetzt wird, die durch ein anderes Lager des vorgenannten Satzes oder die resultierende Kraft von zwei, oder mehr Lagern, des genannten Satzes ausgeübt wird. Änderungen bei dem Durchmesser oder der Breite des Bauteils durch Herstellungstoleranzen können ohne Abweichung der Verschiebung des Bauteils von einer fixierten Achse durch eine gleiche Abweichung der nachgiebigen Montagemittel für alle Lager des Satzes absorbiert werden. Es ist besonders zweckmäßig, wenn der, oder jeder Satz, zwei Paar Lager aufweist&sub1; wobei die Lager jedes Paares diametral entgegengesetzt zueinander und die Paare rechtwinklig zueinander angeordnet werden. Jedoch kann, falls dies gewünscht wird, und in Abhängigkeit von der Querschnittsgestalt der Spindel, ein Satz lediglich ein Paar Lager, oder eine ungerade Zahl Lager, wie bspw. drei oder fünf, aufweisen.
• Die nachgiebigen Montagemittel können z. B. ein Federelement, ein elastomeres Element oder ein pneumatisches Element aufweisen.
• Es ist besonders vorteilhaft, wenn die Bauteilgruppe Einstellmittel einschließt, um die Lager relativ zu der peripheren Oberfläche des Bauteils einzustellen. Somit können, wenn die nachgiebigen Montagemittel vorgesehen sind, um die Lager gegen die Oberfläche zu drükken, die Einstellmittel betätigt werden, um die Kraft die durch die nachgiebigen Montagemittel auf die Lager ausgeübt wird, zu variieren. Eine solche Einstellung macht es möglich, dass die Kräfte um den Umfang des Bauteils herum in entsprechender Weise angepaßt werden und das Bauteil wie gewünscht ausgerichtet wird.
• Die Luftdrücke zwischen den Lagern und dem Bauteil können entsprechend angeglichen werden, wenn die Bauteilgruppe von einer einzelnen zuführung her Leitungen zum Liefern von Druckluft zu den Lagern einschließt.
• Die Lager können durch die nachgiebigen Montagemittel z. B. an einem Rahmen montiert werden, der das Bauteil umschließt, wodurch sich eine kompakte Anordnung ergibt, die geeignet ist, als eine Einheit an, z. B. einem Schlitten einer Koordinatenmeßvorrichtung montiert zu werden. Wenn die Bauteilgruppe zur Verwendung bei einer solchen Vorrichtung bestimmt ist, kann das Bauteil, das zylindrisch sein kann, an einem Ende mit einem Meßfühler, einer Kamera oder einer anderen Vorrichtung versehen werden. Das Bauteil kann, falls gewünscht, auch so montiert werden, daß es drehbar ist.
• Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nunmehr anhand der beigefügten Zeichnungen im einzelnen beschrieben. Dabei zeigen
• Figur 1 eine schematische Schnittdarstellung entlang der Linie I-I, einer Gleit-Bauteilgruppe-Ausführungsform und
• Figur 2 eine Darstellung der Bauteilgruppe von unten in der Richtung des Pfeiles II in Fig. 1.
• Nunmehr auf die Zeichnungen Bezug nehmend, ist eine Gleit-Bauteilgruppe 10 dargestellt, die, bei dieser besonderen Ausführungsform dazu bestimmt ist, auf einem Gleitschlitten einer Koordinatenmeßvorrichtung montiert zu werden, wobei der Bewegungsweg des Schlittens die Bewegung in einer Koordinatenmeßrichtung repräsentiert. Die Bauteilegruppe 10 weist eine axial verschiebbare und optional auch drehbare hohle, zylindrische Spindel 11 auf, die an ihrem unteren Ende mit einem Meßfühler (nicht dargestellt) versehen ist und an ihrem öberen Ende an Antriebsmittel (nicht dargestellt) gekuppelt ist, um eine axiale Verschiebung und falls zweckmäßig, auch Drehung der Spindel zu bewirken. Die axiale Verschiebung der Spindel repräsentiert die Bewegung in einer anderen Koordinatenmeßrichtung. Der Meßfühler kann mit ausgewählten Punkten an der Kontur eines zu messenden Gegenstandes in Ausrichtung gebracht werden und Signale, die erzeugt werden, wann immer der Meßfühler aktiviert wird, können ausgewertet werden, um eine Berechnung der Dimensionen des Gegenstandes zu ermöglichen. Die tatsächliche Betätigung der Vorrichtung ist nicht Teil der Erfindung und wird im einzelnen nicht beschrieben.
• Die Führung der Axialverschiebung der Spindel 11 wird durch zwei Satz Luftlager 12 gebildet, die mit der Umfangsoberfläche der Spindel zusammenwirken. Die zwei Satz sind in der Axialrichtung der Spindel voneinander beabstandet, und die Lager jedes Satzes sind so angeordnet, daß sie symmetrisch um eine entsprechende transversale Ebene der Spindel angeordnet sind. Die Ebenen sind in Fig. 1 mit A und B bezeichnet.
• Die Lager 12 jedes Satzes sind äquidistant um den Umfang der Spindel herum beabstandet und jeder Satz besteht aus zwei Paar Lagern, wobei die Lager jedes Paares einander diametral entgegengesetzt sind und die zwei Paare rechtwinklig zueinander vorgesehen sind. Die Lageroberfläche jedes Lagers ist in ihrer Gestalt komplementär zu dem angrenzenden Teilstück der Spindeloberfläche, und wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, reicht die Gesamtfläche der Lageroberflächen der Lager jedes Satzes aus, eine Abstützung für ca. 300º oder mehr, des Spindelumfangs vorzusehen.
• Jedes der Lager 12 ist durch ein Kugelgelenk mit einem entsprechenden nachgiebigen Montage-Element, in der Form einer Blattfeder 13, schwenkbar verbunden, wobei die Verbindung zwischen den Enden der Feder vorgesehen ist. Jede Blattfeder 13 ist an einem ihrer Enden durch einen Montageblock an einem Quadratprofil-Rahmen 14 montiert, der die Spindel 11 umschließt. Jeder Blattfeder 13 ist eine Stellschraube 15 zugeordnet, die in den Rahmen eingeschraubt ist und an dem von ihrem Montageblock abgelegenen Ende der Feder lagert. Die Anordnung der Blattfedern 13 und der Stellschrauben 15 ist so vorgesehen, daß die Lager 12 gegen die Oberfläche der Spindel gedrückt werden, durch eine Kraft, die für die Lager individuell einstellbar ist, und zwar durch die Stellschrauben 15.
• Druckluft zur Betätigung der Lager wird über ein Rohrsystem 16, mit einer einzigen zuführung geliefert. Das Rohrsystem schließt Abzweigleitungen ein, die zu allen Lagern führen.
• Beim Benutzen der Bauteilgruppe wird Druckluft mit einem Druck von z. B. 276 × 10³ - 552 × 10³ Pa durch das Rohrsystem 16 hindurch jedem der Luftlager 12 zugeführt, wo sie entweicht, um einen Druckluftfilm zwischen dem bestimmten Lager und der Umfangsoberfläche der Spindel 11 vorzusehen. Die Dicke des Luftfilms hängt von den ausgewählten Toleranzen ab und kann z. B. im Bereich von 5 Mikrometern liegen. Um die Lager sehr genau einzustellen, so daß die Axialverschiebung der Spindel einer fixierten Achse folgt, werden die Stellschrauben 15 des einen Satzes Lager betätigt, bis die Federkraft, die auf jedes Lager ausgeübt wird, die erforderliche lokalisierte Kraft ergibt, die der pneumatischen Kraft entspricht, die durch das Lager auf die Spindeloberfläche ausgeübt wird, und so daß die entgegengesetzt gerichteten Kräfte, die durch das Lager jedes Paares auf die Spindel ausgeübt werden, gleich sind. Eine ähnliche Einstellung wird dann mit den Stellschrauben 15 des anderen Satzes Lager durchgeführt. Wenn diese Einstellungen durchgeführt worden sind, wird die Spindel verschoben, um einer fixierten Linie zu folgen, die durch die Spindelachse repräsentiert wird. Abweichungen von dem nominalen Durchmesser der Spindel, ob in der Form von ringförmigen Konkavitäten oder konvexitäten oder möglicherweise einer Verjüngung werden durch die nachgiebige Montage der Lager absorbiert, insbesondere durch die gleiche Abweichung der Blattfedern jedes Lagersatzes in Bezug auf die Spindelachse. Da sich die Lager jedes Satzes gleich bewegen, wenn Änderungen bei dem Spindeldurchmesser auftreten, weicht die Spindelabweichung nicht von ihrem eingestellten Pfad ab. Die Bewegungen der Lager, die durch Blattfeder-Abweichungen hervorgerufen werden, sind verschwindend klein, und die Toleranzen, die durch die Federaufhängung der Lager ausgeglichen werden, können in Abhängigkeit von der maschinellen Bearbeitungsgenauigkeit der Spindel wenig mehr als einige Mikrometer betragen. Die schwenkbare Montage der Lager an den Blattfedern ermöglicht eine Selbstausrichtung der Lager, um ähnliche Toleranzen aufzunehmen.
• Das oben beschriebene Führungssystem sieht reibungsarme Präzisionsführungen der Spindel vor und ermöglicht einen wesentlich wirtschaftlicheren Bau der Bauteilgruppe als es der Fall sein würde, wenn die Lagerabstützung für die Spindel durch eine Luftlagerhülse, mit einer supergenau fertig bearbeiteten bzw. polierten Bohrung gebildet würde. Eine Bauteilegruppe dieser Art ist besonders geeignet zur Verwendung bei einer Koordinatenmeßvorrichtung. Sie ist jedoch gleichermaßen anwendbar bei jedem Apparat oder Instrument, bei dem höchstgenaue Führungen einer gleitenden Komponenten, wie bspw. einer Stange oder Spindel, verlangt wird, egal ob das Bauteil kreisförmigen, elliptischen oder polygonalen Querschnitt aufweist.

Claims (12)

1. Gleitbaugruppe mit einem Glied (11), das in Richtung seiner Längsachse verschiebbar ist, und pneumatischen Führungsmitteln zum Führen der Verschiebung des Glieds, dadurch gekennzeichnet, daß das Führungsmittel mindestens einen Satz Luftlager (12) umfaßt, die mit der Umfangsfläche des Glieds (11) zusammenwirken können und in einer gemeinsamen Querebene (A oder B) des Glieds (11) aufeinander ausgerichtet sind, wobei die Lager (12) des bzw. jedes Satzes um den Umfang des Glieds (11) herum im wesentlichen äquidistant beabstandet sind und jeweils von nachgiebigen Befestigungsmitteln (13) gehalten werden.

2. Gleitbaugruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der bzw. jeder Satz Luf tiager (12) zwei Paar Lager (12) umfaßt, wobei die Lager (12) jeden Paares einander diametral gegenüber angeordnet sind und die Paare im rechten Winkel zueinander angeordnet sind.

3. Gleitbaugruppe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das nachgiebige Befestigungsmittel (13) ein Federelement umfaßt.

4. Gleitbaugruppe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das nachgiebige Befestigungsmittel (13) ein elastomeres Element umfaßt.

5. Gleitbaugruppe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das nachgiebige Befestigungsmittel (13) ein pneumatisches Element umfaßt.

6. Gleitbaugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Einsteilmittel (15) zum Einstellen der Lager (12) gegenüber der Umfangsfläche des Glieds (11).

7. Gleitbaugruppe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die nachgiebigen Befestigungsmittel (13) so angeordnet sind&sub1; daß sie die Lager (12) gegen die Umfangsfläche des Glieds (11) drücken, und die Einstellmittel (15) so betätigt werden könnten, daß sie die von den nachgiebigen Befestigungsmitteln (13) auf die Lager (12) ausgeübte Kraft variieren.

8. Gleitbaugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Leitungsmittel zum Zuführen von Druckluft zu den Lagern (12) von einem einzigen Zulauf aus.

9. Gleitbaugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche&sub1; dadurch gekennzeichnet, daß die Lager (12) durch die nachgiebigen Befestigungsmittel (13) an einem das Glied (11) umschließenden Rahmen befestigt sind.

10. Gleitbaugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Glied (11) zylindrisch ist.

11. Gleitbaugruppe nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Glied (11) außerdem noch so befestigt ist, daß es drehbar ist.

12. Gleitbaugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Glied (11) an einem Ende mit einer Meßsonde versehen ist.