DE3347282A1 - Aerostatic bearing device - Google Patents
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Abstract
Description
Be s chreibungDescription
Die Erfindung betrifft eine aerostatische Lagervorrichtung für relativ zueinander verschiebbare Bauteile mit wenigstens einem zugeordneten Paar von komplementär geformten Lagerflachen, die an jeweils einem der Bauteile vorgesehen 3indf wobei eine der Lagerflächen eine Anzahl von Luftaustrittsöffnungen aufweist, welche über jeweils eine Düse mit im zugeordneten Bauteil vorgesehenen Leitungen verbunden sind, die ihrerseits an einer Druckgasquelle angeschlossen sind.!Solche, in der Regel mit Druckluft betriebenen aerostatischen Lagerungen werden mit Vorteil eingesetzt 9 wenn die relativ zueinander verschiebbaren Bauteile mit hoher Führungsgenauigkeit unter Vermeidung des sogenannter Slip-Stick-Effekt stoß- und weitgehend reibungsfrei zueinander verschiebbar sein müssen, wie dies beispielsweise bei Meßvorrichtungen und optischen Bänken, aber auch den Führungen von Präzisions-Werkzeugmaschinen, z.B. Schleifmaschinen, der Fall ist. Die Ausgestaltung ist dabei meist so getroffen, daß die Luftaustrittsöffnungen in vertieften Lagertaschen münden, die entweder in die Lagerfläche selbst eingearbeitet oder in gesondert hergestellten und in eine Ausnehmung im verschieblichen Bauteil eingesetzten Lagerelementen gebildet sind. Das Einarbeite} der Lagertaschen bzw. der Ausnehmungen für die Lagerelemente in den zugehörigen Bauteil ist aber arbeitsaufwendig, wobei im Fall der Anordnung gesonderter Lagerelemente in Ausnehmungen auch noch eine dichte und schwundfreie Verklebung oder Verkittung der Lagerelemente in den Ausnehmungen erforderlich ist.The invention relates to an aerostatic bearing device for relatively slidable components with at least one associated pair of complementary-shaped bearing surfaces, which 3ind provided on each one of the components f wherein one of the bearing surfaces having a plurality of air outlet openings provided in each case via a nozzle with the associated component Lines are connected, which in turn are connected to a pressurized gas source.! Such aerostatic bearings, usually operated with compressed air, are used with advantage 9 if the components that can be moved relative to one another impact and largely with high guidance accuracy while avoiding the so-called slip-stick effect Must be able to slide relative to one another without friction, as is the case, for example, with measuring devices and optical benches, but also with the guides of precision machine tools, for example grinding machines. The design is usually such that the air outlet openings open into recessed bearing pockets, which are either incorporated into the bearing surface itself or formed in separately manufactured bearing elements inserted into a recess in the displaceable component. The incorporation of the bearing pockets or the recesses for the bearing elements into the associated component is labor-intensive, and in the case of the arrangement of separate bearing elements in the recesses, a tight and non-shrinking gluing or cementing of the bearing elements in the recesses is necessary.
Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine in der Herstellung vereinfachte Lagerausgestaltung anzugeben, welche bei verringertem Verbrauch desIn contrast, the invention is based on the object of a bearing design that is simplified in terms of manufacture indicate which, with reduced consumption of the
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gasförmigen Druckmediums eine hohe Führungsgenauigkeit und hohe Belastbarkeit gewährleistet.gaseous pressure medium a high guidance accuracy and high resilience guaranteed.
Ausgehend von einer Lagervorrichtung der eingangserwähnten Art wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die relativ zueinander verschiebbaren Bauteile zumindest im Bereich ihrer Lagerflächen aus feinkristallinem Granit hergestellt und die einander zugewandten Lagerflächen feinstgeläppt sind. Die Luftaustrittsöffnungen münden aleo direkt in den Lagerflächen, d.h. das Einarbeiten von gesonderten Lagertaschen oder das Einsetzen gesonderter Lagerelemente in Ausnehmungen in den Lagerflächen entfällt, wobei sich gezeigt hat, daß durch die Paarung von feinst geläppt en Lagerflächen aus feinkristallinem Granit, welche eine sehr hohe Formgenauigkeit erreichen lassen, eine extrem reibungsarme und stoßfreie Verschiebung schon bei sehr geringem Abstand der Lagerflächen voneinander erreichbar ist. Solche sehr geringen Lagerflächen-Abstände sind aber bereits mit geringen Überdrücken von 0,3 bis 1,0 bar des zugehörigen gasförmigen Druckmediums - in der Regel Druckluft - erreichbar, wobei das Druckgas dann den. dünnen Lagerspalt praktisch laminar durchströmt. Infolge des geringen Überdrucks und des dünnen Lagerspalts wird aber auch der Druckgasverbrauch minimal, obwohl andererseits eine erstaunlich hohe Tragfähigkeit erhalten wird.Starting from a storage device of the type mentioned at the beginning, this object is achieved according to the invention solved in that the relative to each other displaceable components at least in the area of their bearing surfaces made of fine crystalline granite and the one another facing storage areas are finely lapped. the Aleo air outlets open directly into the storage areas, i.e. the incorporation of separate storage pockets or the use of separate storage elements in recesses in the storage areas is omitted, whereby has shown that the pairing of finely lapped en Storage surfaces made of finely crystalline granite, which is a Can achieve very high dimensional accuracy, an extremely low-friction and shock-free displacement even with very a small distance between the storage surfaces can be achieved. However, such very small distances between the storage surfaces are even with slight overpressures of 0.3 to 1.0 bar of the associated gaseous pressure medium - as a rule Compressed air - achievable, with the compressed gas then the. through the thin bearing gap practically laminar. As a result However, the low overpressure and the thin bearing gap also reduce the consumption of compressed gas to a minimum, although on the other hand an astonishingly high load-bearing capacity is obtained.
Der lichte Durchmesser der den Luftaustrittsöffnungen vorgeschalteten Düsen wird bei dem erwähnten Überdruck des gasförmigen Druckmediums von etwa 0s3 bis 1,0 bar in der Größenordnung zwischen l/lO bis 2/lO mm gewählt.The clear diameter of the nozzles upstream of the air outlet openings is selected in the order of magnitude between 1/10 to 2/10 mm at the above-mentioned excess pressure of the gaseous pressure medium of about 0 s 3 to 1.0 bar.
"^- GQPY
-'ORIGiNAL INSPECTED"^ - GQPY
-'ORIGiNAL INSPECTED
Die Düsen sind in zweckmäßiger Ausgestaltlang so ausgebildet, daß ihre kalibrierte Durchiaßöffnung jeweils in einem dünnen membranartigen Plättchen aus korrosionsbeständigem Metallblech, vorzugsweise aus korrosionsbeständigem Stahlblech, vorgesehen ist, welches entlang seines Randes in einem Düsenkörper gehalten ist.The nozzles are so long in an expedient configuration formed that their calibrated passage opening each in a thin membrane-like plate made of corrosion-resistant sheet metal, preferably made of corrosion-resistant sheet steel, is provided, which along its edge in a nozzle body is held.
Der Düsenkörper kann" dann aus zwei jeweils mit einer mittigen Durchgangsbohrung versehenen Stopfenkörpern unterschiedlichen Durchmessers zusammengesetzt sein, von denen der mit einem Außengewinde versehene Stopfenkörper kleineren Durchmessers in eine mittig von einer Stirnfläche aus in den Stopfenkörper größeren Durchmessers eingearbeitete Gewindebohrung eingeschraubt 1st, wobei das mit der Durchlaßöffnung versehene Plättchen zwischen dem Grund der Gewindebohrung im Stopfenkörper größeren Durchmessers und der zugewandten Stirnfläche des eingeschraubten Stopfenkörpers kleineren Durchmessers eingespannt gehalten' ist. Das Düsenplättchen kann also bei Bedarf leicht gegen ein anderes Plättchen ausgetauscht werden.The nozzle body can then consist of two each with one central through-hole provided plug bodies be composed of different diameters, of which the plug body provided with an external thread smaller diameter in a center from an end face into the plug body of larger diameter incorporated threaded hole is screwed in, with the plate provided with the passage opening between the base of the threaded hole in the plug body is larger Clamped diameter and the facing end face of the screwed-in plug body of smaller diameter is held '. The nozzle plate can therefore easily be exchanged for another plate if necessary will.
Die Spaltdicke zwischen den Lagerflächen stellt sich dann in der Größenordnung von etwa 5 bis 10 Um ein, wenn die Anzahl der in der Lagerfläche vorgesehenen Luftaustrittsöffnungen in Abhängigkeit von der gesamten, zwischen den einander zugewandten Lagerflächen zu übertragenden Führungs- und/oder Gewichtskraft so gewählt ist, daß auf jede Luftaustrittsöffnung ein Anteil von nicht mehr als 80 kg entfällt.The gap thickness between the bearing surfaces is then in the order of about 5 to 10 μm, if the number of air outlet openings provided in the storage area depends on the total, between the facing bearing surfaces to be transmitted guide and / or weight force so selected is that for each air outlet opening a proportion of no more than 80 kg is not required.
COPY ORfGINAU INSPECTEDCOPY ORfGINAU INSPECTED
Die Erfindung ist in der folgenden Beschreibung eines
Auai'Uhrungsbeispieia in Verbindung mit der Zeichnung
näher erläutert, und zwar zeigt:The invention is in the following description one
Auai'Uhrungsbeispieia in connection with the drawing
explained in more detail, namely shows:
Fig. 1 einen senkrechten Querschnitt durch eine
von einem in einer rechtwinklig zur
Zeichnungsebene auf einem massiven Bett
längsverschieblich geführten Schlitten
gebildete, erfindungsgemäße Lagervorrichtung; Fig. 1 is a vertical cross section through a
from one in a perpendicular to the
Drawing plane on a massive bed
longitudinally displaceable slide
formed storage device according to the invention;
Fig. 2 den innerhalb der strichpunktierten Umrandung ; 2 in Fig. 1 liegenden Teilquerschnitt der j Lagervorrichtung in vergrößertem Maßstab; j und . jFig. 2 within the dash-dotted border; 2 lying in FIG. 1 partial cross-section of the bearing device on an enlarged scale; j and . j
Fig. 3 einen Längsmitfcelschnitt durch eine in die !Fig. 3 is a longitudinal mid-section through a!
Luftaustrittsöffnungen der zu den Lager- !Air outlet openings to the bearing!
flächen führenden Leitungen einsetzbare iArea-leading lines that can be used i
Düse. !Jet. !
Die in Figur 1 gezeigte, in ihrer Gesamtheit mit 10
bezeichnete erfindungsgemäße Lagervorrichtung zeigt
schematisch einen in horizontaler Richtung - und'zwar ;
rechtwinklig zur Zeichnungsebene - auf einem massiven
Bett 1-2 aus Granit geführten Schlitten Ik. Der Schlitten
wird von einer massiven rechteckigen Platte ΐβ aus,
feinkristallinem Granit gebildet, deren gegenüberliegende
horizontale obere und untere Flachseiten 18, 20 ebenflächig geschliffen sind. Zusätzlich ist zumindest die
untere Flachseite 20 noch feinstgeläppt. Etwa mittig auf
der unteren Flachseite des Schlittens 14 ist ein ebenfalls
aus feinstkristallinem Kristall hergestelltes, im
Querschnitt rechteckiges langgestrecktes Führungslineal 22The one shown in FIG. 1 in its entirety with 10
designated storage device according to the invention shows
schematically one in the horizontal direction - und'zwar ; at right angles to the plane of the drawing - on a massive one
Bed 1-2 made of granite guided slide Ik. The sled
is made up of a solid rectangular plate ΐβ,
fine crystalline granite formed, their opposite
horizontal upper and lower flat sides 18, 20 are ground flat. In addition, at least that
lower flat side 20 still finely lapped. About in the middle
the lower flat side of the carriage 14 is also made of finely crystalline crystal, im
Cross section of a rectangular elongated guide ruler 22
V--V--
!«.SPECTED! ”SPECTED
In Verschiebungsrichtung verlaufend befestigt, dessen gegenüberliegende, senkrechte Seitenflächen 24 in der gleichen Weise wie die untere Flachseite 20 des Schlittens l4 feinstbearbeitet, d.h.. geläppt sind. Die senkrechten Seitenflächen 24 und die seitlich, neben dem PiIh rungs line al 22 verbleibenden Flächenabschnitte der unteren Flachseite 20 bilden den Schlitten 14 in senkrechter bzw. horizontaler Richtung in bzw. auf dem Bett 12 führende und abstützende Lagerflächen. Fixed running in the direction of displacement, its opposite, vertical side surfaces 24 in the same way as the lower flat side 20 of the Carriage l4 finely machined, i.e. lapped. The vertical side surfaces 24 and the laterally next to the PiIh approximate line al 22 surface sections remaining the lower flat side 20 form the carriage 14 in the vertical or horizontal direction in or on the bed 12 leading and supporting bearing surfaces.
Das Bett 12 seinerseits wird von drei in Nebeneinanderlage seitlich zusammengefügten massiven Tragkörpern 26, 28, 30 gebildet, die ebenfalls wiederum aus feinkristallinem Granit hergestellt sind. Die oberen, in einer horizontalen Ebene liegenden ebenflächigen Stirnflächen 32 der beiden äußeren Tragkörper 26, 30 stehen der feinstgeläppten unteren Flachseite 20 der Platte l6 gegenüber und bilden also zusammen mit dieser unteren Flachseite 20 jeweils ein Lagerflächenpaar 20, 32, welches die senkrecht auf den Schlitten einwirkenden Kräfte sowie dessen Gewicht abstützt. Durch den mittleren Tragkörper 28 sind die äußeren Tragkörper 26, 30 in solchem Abstand gehalten, daß ihre ebenflächigen senkrechten, einander zugewandten inneren Seitenflächen 34 den Seitenflächen 24 des Führungs line als 22 mit geringsten Spiel gegenüberstellen. Auch die Seitenflächen 34 sind wiederum - zumindest in dem den Seitenflächen 24 gegenüberliegenden Bereichen - feinstgeläppt.The bed 12, in turn, is supported by three massive supporting bodies 26 laterally joined together in a side-by-side position 28, 30 are formed, which in turn are also made of fine crystalline granite. The upper, in flat end faces 32 of the two outer support bodies 26, 30 are in a horizontal plane the finest lapped lower flat side 20 of the plate l6 opposite and thus together with this lower flat side 20 each form a pair of bearing surfaces 20, 32, which supports the forces acting vertically on the slide as well as its weight. Through the middle Support body 28, the outer support bodies 26, 30 are held at such a distance that their flat, vertical, facing inner side surfaces 34 the side surfaces 24 of the guide line as 22 with the least Face game. The side surfaces 34 are also again - at least in the area opposite the side surfaces 24 Areas - finely lapped.
Xn den Lagerflächen des Schlittens 12, d.h. der unteren Flachseite 20 der Platte l6 und den Seitenflächen 24 des Führungslineals 22 münden Luftaustrittsöffnungen 36, welche über ein in die Platte l6 des Fülix-ungslinealaXn the bearing surfaces of the carriage 12, i.e. the lower one Flat side 20 of the plate l6 and the side surfaces 24 the guide ruler 22 open air outlet openings 36, which via a into the plate l6 of the Fülix-ungslineala
COPY - 8 ORIGfNAL INSPECTEDCOPY - 8 ORIGfNAL INSPECTED
eingebohrtes System zusammenhängender Leitungen 38, 40, 42, 44 geringen Durchmessers an eine ^nicht gezeigte) Druckluftquelle angeschlossen sind, und zwar sind die Luftaustrittsoffnungen 3° in Schlitten-Verschiebungsrichtung mit Abstand voneinander jeweils etwa mittig in den einander zugeordneten Lagerflächen 20, 32 bzw. 24, 34 vorgesehen.bored system of contiguous lines 38, 40, 42, 44 of small diameter to a ^ not shown) compressed air source are connected, namely the air outlet openings are 3 ° in the direction of slide displacement at a distance from one another in each case approximately in the middle in the bearing surfaces 20 assigned to one another, 32 or 24, 34 are provided.
In Figur 2 ist der Mündungsbereich einer in der unteren Flachseite 20 der Platte 16 mündenden Luftaustritts- I öffnung 36 in vergrößertem Maßstab dargestellt, wobei ersichtlich ist, daß in den Mündungsbereich der zu der Luftaustrittsöffnung 3° führenden Leitung 38 ein Düsenkörper 46 eingesetzt ist, der von einer kalibrierten \ In Figure 2, the opening area of an air outlet opening 36 opening into the lower flat side 20 of the plate 16 is shown on an enlarged scale, it being evident that a nozzle body 46 is inserted in the opening area of the line 38 leading to the air outlet opening 3 ° from a calibrated \
j Bohrung 48 durchsetzt wird, welche eine die Luftzufuhr zur Luftaustrittsöffnung 36 drosselnde Düse bildet. Der Durchmesser der kalibrierten Bohrung 48 liegt bei einem Überdruck der in das Leitungssystem eingespeisten Ί Druckluft von 0,3 bis 1,0 bar im Bereich zwischen l/lO ; bis 2/10 mm. Die über die Düsen 46, 48 aus den Luftaustrittsöffnungen 36 austretende Druckluft bildet einen dünnen laminar strömenden Luftfilm zwischen den einander zugeordneten Paaren von Lagerflächen 20, 32 und 24, 34, auf denen der Schlitten 12 sozusagen ·j bore 48 is penetrated, which forms a nozzle throttling the air supply to the air outlet opening 36. The diameter of the calibrated bore 48 is at an excess pressure of the compressed air fed into the line system of 0.3 to 1.0 bar in the range between 1/10; up to 2/10 mm. The compressed air exiting from the air outlet openings 36 via the nozzles 46, 48 forms a thin, laminar-flowing air film between the associated pairs of bearing surfaces 20, 32 and 24, 34 on which the carriage 12, so to speak
schwimmt, so daß er praktisch reibungsfrei auf dem Bett 12 verschiebbar ist. Bei einer Spaltdicke zwischen den Lagerflächen 20, 32 von 5 *>is 10 Um beträgt die Tragfähigkeit jeder Luftaustrittsoffnung 36 bei dem angenommenen Überdruck etwa 80 kg, woraus sich die Anzahl der in Verschiebungsrichtung aufeinanderfolgend anzuordnenden Luftaustrittsöffnungen in Abhängigkeit vom Gewicht des Schlittens 14 unter zusätzlicher Berücksichtigung etwaiger, auf der oberen Flachseite 18 des Schlittens aufzunehmender Lasten errechnen läßt.floats so that it can be moved on the bed 12 with practically no friction. With a gap thickness between the bearing surfaces 20, 32 of 5 *> is 10 µm , the load-bearing capacity of each air outlet opening 36 at the assumed overpressure is about 80 kg, from which the number of air outlet openings to be arranged one after the other in the direction of displacement depends on the weight of the carriage 14 with additional consideration any loads to be absorbed on the upper flat side 18 of the carriage can be calculated.
ORIGINALINSPECTEDORIGINALINSPECTED
Festzuhalten ist dabei, daß diese hohe Tragfälligkeit je Luftaustrittsoffnung bei geringstem Druckluftverbrauch erreicht wird, wobei infolge der laminaren Strömung des Luftfilms zwischen den zugeordneten Lagerflächen auch kein störendes Zwischgeräusch auftritt. It should be noted that this high load-bearing capacity per air outlet opening with the lowest compressed air consumption is achieved, as a result of the laminar flow of the air film between the associated Storage areas also no interfering noise occurs.
Figur 3 zeigt eine zusammengesetzte Düse 50» deren Düsenkörper aus zwei jeweils mit mittigen Durchgangsbohrungen 52 versehenen Stopfenkörpern 5&, 56 unterschiedlichen Durchmessers zusammengesetzt ist, von denen der Stopfenkörper 54 kleineren Durchmessers mit Außengewinde versehen und in eine Gewindebohrung 58 im Stopfenkörper 5° größeren Durchmessers eingeschraubt ist. Zwischen dem Grund der Gewindebohrung 58 und der zugewandten Stirnfläche des in die Gewindebohrung eingeschraubten Stopfenkörpers ^h kleineren Durchmessers ist ein dünnes membranartiges Plättchen 60 aus korrosionsbeständigem Stahlblech eingespannt, in welchem die eigent liehe kalibrierte Düsendurchlaßöffnung mit dem erforderlichen Durchmesser zwischen l/lO und 2/IO mm vorgesehen ist.FIG. 3 shows an assembled nozzle 50, the nozzle body of which is composed of two plug bodies 5 and 56 of different diameters, each provided with central through bores 52, of which the plug body 54 of smaller diameter is provided with an external thread and is screwed into a threaded hole 58 in the plug body 5 ° of larger diameter . Between the bottom of the threaded bore 58 and the facing end face of which is screwed into the threaded bore of the plug body ^ h smaller diameter is clamped from corrosion-resistant steel sheet 60 is a thin membrane-like platelets, in which the Eigent Liehe calibrated Düsendurchlaßöffnung with the required diameter of between l / lO and 2 / IO mm is provided.
Es ist ersichtlich, daß im Rahmen des Srfindungsgedankens Abwandlungen und Weiterbildungen des beschriebenen Ausführungsbeispiels verwirklichbar sind. So können in entsprechender Abwandlung auch Drehlagerungen nach dem erfindungsgemäßen Prinzip verwirklicht werden, indem beispielsweise das in Verbindung mit Figur 1 beschriebene Ausführungsbeispiel dahingehend abgewandelt wird, daß die Platte l6 als kreisförmig begrenzte Platte und das Führungslineal 22 als an der unteren Flachseite dieser Platte angesetzter zylindrischer Zapfen ausgebildet wird, der in eine entsprechend bemessene Bohrung im Bott 12 eingreift.It can be seen that within the scope of the concept of the invention Modifications and developments of the exemplary embodiment described can be implemented. So in Corresponding modification, rotary bearings can also be implemented according to the principle according to the invention by For example, the embodiment described in connection with Figure 1 is modified to the effect that the plate l6 as a circularly delimited plate and the guide ruler 22 as on the lower flat side of this Plate attached cylindrical pin is formed, which in a correspondingly dimensioned hole in the bottom 12 intervenes.
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