Vorrichtung zur spielfreien Bewegung eines starren Körpers
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur spielfreien Bewegung eines starren Körpers, wie sie beispielsweise bei Koordinatenmessma schinen, Mikroskopen, optisch-mechanischen Geräten bei Fertigungseinrichtungen in der Halbleiterindustrie und an Geräten zur Weltraumforschung Verwendung finden können.
Bekannt sind Vorrichtungen zur präzisen, spielfreien Bewegung eines starren Körpers, wie z. B. Koordinaten tische von Koordinatenmessmaschinen, bei welchen eine bewegliche Schiebepiatte mit einer Gleitfläche durch Gleitpaare (vermittels Schwalbenschwanzführungen) oder Rollenpaare (Kugel- oder Rollenlager) verbunden ist. Die Bewegung der Schiebeplatte erfolgt durch einen Antrieb, der gewöhnlich leinen Elektromotor, ein Getriebe und ein Gewindepaar enthält.
Bei Koordinatentischen der erwähnten, Bauart tritt während der Bewegung sowohl an den Berührungsstellen der Schiebepiatte mit der Gleitfläche als auch im Antrieb eine Roll- oder Gleitreibung auf. Darüber hinaus ist im Getriebe und Gewindepaar des Antriebs ein grösseres oder kleineres Spiel zu verzeichnen, das sich im dynamischen Verhalten der ganzen Anlage, insbesondere während der Umkehrung, ungünstig auswirkt.
Der komplexe Einfluss des Spieles und der Reibung führt dazu, dass sich die Bewegung der Schiebeplatte bei deren Anhalten nahe dem Stillstand ungleichmässig und ruckweise vollzieht, wodurch die Genam.gkeit der Still setzung bis auf 1-4 ,t4m herabgesetzt wird.
Das Ziel der vorliegenden Erfindung besteht in der Entwicklung einer Vorrichtung zur genauen spielfreien Bewegung eines starren Körpers, bei der die erwähnten Nachteile vermieden ssind und bei der der Reibungsein- fluss auf die Genauigkeit der Verstellung unter Erhaltung eines grossen Bewegungsbereiches völlig beseitigt oder möglichst stark herabgesetzt ist.
Die erfindungsgemässe Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass sie mindestens zwei Stützen aus einem elastischen Werkstoff, von denn jede mit ihrem einen Ende an dem zu bewegenden Körper starr befestigt ist, sowie ein Mittel aufweist, das lelastische Verformungen der Stützen von einer solchen Grösse bewerkst,elligt, dass die freien Enden dertStützen einbezug auf die Gleitfläche sich abwechselnd von dieser abheben und sich in Richtung der Bewegung des starren Körpers verschieben.
Als Signalwandler für die Umwandlung der Signale der Steuereinrichtung in die jeweilige Bewegung können piezoelektrische, magnetostriktive oder andere Wandler angewendet werden.
Nachstehenld wird die Erfindung anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausftihrungsbeispielen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt:
Fig. 1 eine Vorrichtung zur präzisen Bewegung leines starren Körpers mit einem Freiheitsgrad in einem Längsschnitt,
Fig. 2 einen Schnitt entlang des Schnittveflaufes 11-11 der Fig. 1,
Fig. 3 eine weitere Vorrichtung zur präzisen Bewe- gung eines starren Körpers mit drei Freiheitsgraden im Grundriss,
Fig. 4 einen Schnitt entlang des Schnittverlaufes IV-IV der Fig.
3, tFig. 5 Diagramme der elektrischen Signale, die die piezoelektrischen Signalwandler aus der Steuereinheit aufnehmen.
Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung zur spielfreien Bewegung eines starren Körpers 1 besitzt zwei Stützen 2 und 3, die am starren Körper 1 starr befestigt sind und mit Gleitflächen, welche hier Flächen der Leisten 4 und 5 sind, in Berührung stehen. Die Gleitfläche der Leiste 4 ist eben ausgeführt, während jene der Leiste 5 aus zwei einen Winkel miteinander einschliessenden Ebenen be- steht, wie aus Fig. 2 ersichtlich ist.
Diese Formen der Gleitflächen begrenzen die Anzahl der Freiheitsgrade des zu bewegenden starren Festkörpers auf eins, nämlich auf nur eine translatorische Bewegung. Die Leisten 4 und 5 sind ortsfest parallel zueinander und mit einem solchen Abstand voneinander angeordnet, dass, solange keine Verformung der Stützen vorhanden ist, zwischen den Berührungsflächen der Stützen 2 und 3 und den Gleitflächen der Leisten 4 und 5 ein Spalt 6 in der Grössenordnung von 0,5-2,0 m vorhanden ist. Innerhalb der Stützen 2,3 sind piezoelektrische Signalwandler 7, 8 bzw. 9, 10 starr befestigt. Jeder der piezoelektrischen Wandler besteht aus einem Satz von Scheiben aus Piezokeramik, welche zusammen Säulen bilden.
An den Scheibenrändern sind Beläge vorgesehen, an welchen die Spannung von der Steuereinheit atbgenoym- men wird (in Fig. 1 nicht dargestellt). Die piezoelektrischen Wandler sind in Hülsen 11 aus einem Dilelektri- kum eingelegt und in entsprechenden Ausschnitten der Stützen 2 und 3 angeordnet. Die Stäbe sind gegen die Innenflächen dieser Ausschnitte mit Hilfe von Kseilpaa- ren 12 verspannt.
Als Steuereinheit kann jeder Generator von rechtwinkligen und sägeförmigen Impulsen benutzt werden, der eine Einstellung der Impulsdauer und relativen Phasenverschiebung der Impulse gestattet.
Die Fig. 3 und 4 zeigen eine andere Ausführungsform der Vorrichtung, die zur präzisen Bewegung eines starren Körpers 13 mit drei Freiheitsgraden, in einer Ebene dient. Zum Unterschied von der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung besitzt diese Vorrichtung sechs Stützen 14 bis 19. Diese Stützen weisen Quadratquerschnitt auf. Die oberen Enden ,der Stützen 121- sind am Körper 13 starr befestigt und von ihren unteren Enden berührt jede zweite eine ebene Gleitfläche 20.
Jede der Stützen 14 bis 19 weist eine Bohrung auf, in der piezoelektrische Signalwandler senkrecht angeordnet und mittels eines Schraubenstopfens 21 zusammengge- drückt sind. Aus der Fig. 4 sind zwei solche Wandler 22 und 23 zu ersehen. Ausserdem werden an jede der Stützen 14 bis 19 an je zweien ihrer Seitein,flächlen! noch je zwei piezoelektrische Signalwan,dler 24, 25; 26, 27; 28, 29; 30, 31; 32, 33 und 34, 35 angedrückt, deren Achsen zueinander unter einem Winkel von 90" in einer waagerechten Ebene verlaufen. Zum Andrücken dieser Wandle-r dienen Keilpaare 36, wie dies für die erste Ausführung bereits beschrieben ist.
Falls keine Verformung der Stützen 14 bis 19 auftritt, so besteht zwischen deren unteren Flächen und der Fläche 20 ein Spalt 37.
Die in den Fig. 1, 2 wiedergegebene Vorrichtung arbeitet wie folgt:
Um den starren Körper 1 kontinuierlich zu bewegen, wird an die piezoelektrischen Wandler 7 bis 10 eine von der Steuereinheit gelieferte Spannung in Form von periodischen Impulsen angelegt. Die Impulsform und Phasenverhältnisse zwischen den Impulsen sind qualitativ in Fig. 5 dargestellt, deren Abszissen die Zeit t und deren Ordinaten die Spannung U im piezoelektrischen Wandler bedeuten. Die Impulse 38 werden dem piezoelektrischen Wandler 7 und die übrigen werden wie folgt zugeführt:
Der Impuls 39 dem Wandler 8, der Impuls 40 dem Wandler 9 und der Impuls 41 dem Wandler 10.
Das in Fig. 5 wiedergegebene Impulsbild entspricht einer kontinuierlichen Bewegung des Körpers 1 in der in Fig. 1 durch den Pfeil A angegebenen Richtung. An den piezoelektrischen Signalwander 8 wird nun die Spannung 39 in Form eines rechteckigen Impulses angelegt, die infolge des reziproken Piezoelektroeffektes eine axiale Ausdehnung des Wandlers und damit auch eine elastische Verformung der Stütze 2 verursacht. Der piezoelektrische Signalwandler entwickelt dabei eine Kraft, die genügt, die starren Stützen auch noch zu deformieren. Infolge der elastischem Verformung werden die Berührungsflächen der Stützen 2 an die Gleitflächen der Leisten 4, 5 angedrückt, wodurch die Spalte 6 beseitigt werden.
Die Stütze 2 ist in den Fig. 1, 2 in der Stellung dargestellt, in welcher sie an die Gleitflächlen der Leisten 4, 5 angedrückt ist. In diesem Zustand wird der piezoelektrische Signaiwandler 7 unter einer stetig ansteigenden Spannung 38 gehalten, die durch die elastische Verformung des waagrechten Abschnittes der Stütze 2 eine nach rechts gerichtete Bewegung des Körpers 1 mit der Stütze 3 zusammen in Richtung des Pfeiles A bewirkt; zu diesem Zeitpunkt berührt die Stütze die Gleitflächen der Leisten 4, 5 nicht, so dass dabei keine Reibung auftritt.
Zum gleichen Zeitpunkt wird an den piezoeiektri- sehen Signaiwandler 9 eine 'Spannung 40 angelegt, die sich von einem anfänglichen Höchstwert monoton vermindert. Dadurch wird das freie Ende der Abstützung 3 nach links gegen den Körper 1 bewegt. Sobald die Geschwindigkeit dieser Bewegung gleich jener der Bewegung des Körpers 1 nach rechts ist, so bleibt die Berührungsfläche der Stütze 3 inbezug auf die Gleit- flächen der Leisten 4, 5 in Ruhe.
Aus diesem Grunde ist es möglich, nach einer kurzen Zeitspanne t1 , während deren die Spannung 40 am piezoelektrischen Wandler 9 sich von ihrem Maxi mum ausgehend um eine gewisse Grösse verringert hat, eine Spannung 41 an den piezoelektrischen Wandler 10 anzulegen, der auch die Stütze 3 an die Gleitflächen der Leisten 4, 5 andrückt. Das Andrücken vollzieht sich ruckfrei, da in diesem Augenblick die Stütze 3 gegen über den Gleitflächen der Leisten 4, 5 in Ruhe ist.
Während einer gewissen Zeit wo bewegt sich der Körper 1 mit den zwei angedrückten Keilen nur durch elastische Verformung der waagerechten Abschnitte der Stützen 2, 3.
Alsdann wird die Spannung vom piezoeiektrischen Wandler 8 abgeschaltet, wodurch zwischen den Gleit- flächen der Leisten 4, 5 und der Stütze 2 der Spalte 6 entsteht. Nach einer kleinen Zeitspanne t3 wird nun die Spannung 38 vom piezoelektrischen Wandler 7 abgeschaltet, was eine Verschiebung des freien Endes der Stütze 2 nach rechts und seine Annäherung an den Körper 1 verursacht, der sich dabei infolge der elastischen Verformung der Stütze 3 nach rechts bewegt. Die Bewegung des freien Endes der Stütze 2 erfolgt dabei auch ohne Reibung, weil sie zu diesem Zeitpunkt die Gleitflächen der Leisten 4, 5 nicht berührt.
Nach einem relativ schnelleren Abfall bis auf das Minimum der Spannung 38 am piezoelektrischen Wandler 7 setzt dann wieder eine monotone Zunahme der Spannung 38 ein, wodurch das freie Ende der Stütze 2 gegenstiber Jden G1eitflächen der Leisten 4, 5 wieder zur Ruhe kommt. Infolgedessen kann nach einer gewissen Zeit wieder die Spannung 39 an den piezoel'ektrisch'en Wander 8 angelegt werden und während der dlarauf- folgenden Zeitspanne t4 bewegt sich der Körper 1 wieder mit den zwei angedrückten Stützen 2, 3, wonach die Spannung 41 vom piezoelektrischen Wandler 10 abgeschaltet und das oben beschriebene Spiel wiederholt wird.
Auf diese Weise erhält man eine kontinuierliche Bewegung des Körpers, 1, wobei deren Ruckfreiheit durch eine Überlagerung der Bewe,gungsgämge der beiden Stützen 2, 3 erreicht wird. Die Bewegungsgrenzen sind bestimmt durch die Länge der Gleitflächen, die B'ewegungsgeschwindigkeit aber hängt von der Frequenz und der Amplitude der von der Steuereinheit kommendein Impulse ab. Eine Spannung von etwa 500 V entspricht bei ausgeführten Vorrichtungen einer Verformung von ca. 1 m, wodurch bei einer Frequenz von 10 kHz Bewegungsgeschwindigkeiten von mehreren Hunderten mm/min zu erreichen sind.
Eine stufenlose Einstellung der Bewegungsgeschwindigkeit kann in einem weiten Bereich (vom Maximalwert bis auf Null) durch blosses Verkleinern der Impulsamplitude erzielt werden, was für Anlagen mit automatischer Steuerung von jbesonderer Bequemlichkeit ist Auf diese Weise ermöglicht die erfindungsgemässe Vorrichtung durch Beseitigung der Reibung und durch die Möglichkeit, eine schrittweise Feinbewegung zu erzielen, eine Ge- nauigkeit der Stilisetzung von in der Grössenordnung 10 > m zu erhalten.
Die überaus winzige Grösse der elastischen Verf or- mungen, die es erlaubt, die Bewegung genau zu dosieren, gibt eine Möglichkeit, gleichzeitig eine Verformung der Stützen in drei Richtungen auszuführen und eine Vorrichtung zur präzisen Bewegung eines starren Körpers mit drei Freiheitsgraden zu schafen.
Die Arbeitsweise dieser Vorrichtung, die in den Fig.
3 und 4 dargestellt ist, ist wie folgt: Die rechteckigen Impulse werden sechs senkrecht stehenden piezo elektrischen Signalwandlern, die in Bohrungen von Stützen 14 bis 19 angeordnet sind, und die sägezahuförmigen Impulse werden zwölf waagrecht lie- genden piezoelektrischen Wandlern 24 bis 35 zugeführt.
Zur gleichen Zeit wird eine Spannung an die drei senkrechten piezoelektrischen Wandler in den Stützen 14, 16 und 18 angelegt. Infolge der elastischen Verformung dieser Stützen hebt sich der Körper 13 hoch und zwischen den Stützen 15, 17, 19 und der Gleitfläche 20 entsteht ein Spalt 37, der der Grösse der elastischen Verformung der Stützen 14, 16, 18, gleich ist.
In dieser Stellung bewirkt ein gleichzeitiges Anlegen von Spannung an die drei waagerechten piezoelektrischen Wand ler 24, 28, 33 bzw. 25, 29, 32 der Stützen 14, 16, 18 eine Bewegung des Körpers 13 gegenüber der Gleitfläche 20. Das Vorhandensein zweier waagrechter piezoelektrischer Wander an jeder Stütze gibt eine Möglichkeit, die Bewegung des Körpers 13 längs der zwei Koordinaten in der waagrechten Ebene zu bewerkstelli- gen. Der B ewegungsbereich ist dabei durch die Abmessungen der Gleitfläche 20 bestimmt.
Die Impulsform und Phasenverhältnlisse sind jenen bei der ersten Ausführung ähnlich.
Die Festlegung des Körpers an drei Stützen erfolgt durch Zdas Eigengewicht des starren Körpers. Es kann aber auch, falls erforderlich, zur Vergrösserung der Reibung an den Berührungssteilen eine Maguetplatte als Gleitfläche benutzt und der starre Festkörper aus einem magnetischen Werkstoff hergestellt werden.
Diese Vorrichtung kann in einem geschlossenen System mit einer Rückführung nach den beiden UKoordi- naten und mit einer Drehung um die senkrechte Achse verwendet werden. Bei dieser Anwendung sind zur B,ewegungsablesung hochgenaue Anlagen, z. B. Laser Interferometer, anzuwenden.
Bei den beiden beschriebenen Ausführungen der Vorrichtung wird zur Erzielung der notwendigen Verformung der reziproke piezoelektrische Effekt benutzt; jedoch können zu diesem Zweck auch andere Erschei- nungen, z. B. die Magnetostriktion Anwendung finden.
Die Vorteile einer voriiegenden Vorrichtung bestehen darin, dass sie es ermöglicht, zweck präziser Bewegung eines starren Körpers die Roll- und Gleitreibung sowohl an dien Berührungsstellen mit der Gleitfläche als auch im Antrieb innerhalb eines grossen Bewlegungsbereichls sehr stark zu verringern oder sogar praktisch vollkommen zu beseitigen. Dabei ist die Vorrichtung bezüglich ihres Aufbaus und ihrer Herstellung im Vergleich zu den bisher bekannten, einfacher, insbesondere in der zweiten Ausführung, welche einen sehr komplizierten Koordinatentisch mit doppel- stöckigen Führungen ersetzt.
Da dabei die Massketten von den Gleitflächen bis an die Arbeitsfläche des starren Körpers verkleinert werden, verkleinern Jsich auch die Wärmedehnungen in der Vorrichtung. Es sei Ibemlerkt, dass bei der zweiten Atusführung der Vorrichtung eine Möglichkeit besteht, eine konstante Höhensbellung des starren Körpers aufrechtzuerhalten, indem man die Temperaturänderungen in den Stützen durch Einführen einer entsprechenden konstanten Komponente in das Signal an die senkrechten piezoelektrischen Wandler ausgleicht.
Die erfindungsgemässe Vorrichtung ermöglicht es grundsätzlich, eine Ablesung von hoher Genauigkeit, welche mit Hilfe von Lasernterferome- tern zu erreichen ist, zu realisieren. Darüber hinaus ermöglicht sie, die Bewegung in einem weiten Geschwin digkeitsbereich (von 0 bis Hmderte mm/min) zu verwirklichen, ohne dass dabei in die Antriebskette irgend welche zusätzlichen kinematischen Glieder eingefügt werden.