CH660805A5

CH660805A5 - Vorrichtung zur feineinstellung einer verschiebung und/oder drehung.

Info

Publication number: CH660805A5
Application number: CH6659/82A
Authority: CH
Inventors: Kazuo Shiba; Masao Takahashi; Akira Kanai; Kouichi Koizumi
Original assignee: Citizen Watch Co Ltd
Priority date: 1981-11-13
Filing date: 1982-11-15
Publication date: 1987-06-15
Also published as: GB2112963B; GB2112963A; US4504048A; DE3241940A1; NL8204383A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Feineinstellung einer Verschiebung und/oder Drehung.

Zurzeit sind eine grosse Anzahl von Geräten bekannt, mit denen ein steuerbarer Teil, z.B. ein Werkstückhalter, in einer Präzisionsmaschine oder einem Präzisionsmessgerät um sehr kleine Werte linear verschoben oder gedreht werden. Die Angabe klein bezieht sich auf lineare Verschiebungen in der Grössenordnung von 0,005 Mikron oder kleiner, oder Drehwinkel von 0,01 Sek. oder kleiner. Eine wesentliche Voraussetzung hierfür ist, dass derartige Geräte spielfrei sind, einen hohen Einstellgenauigkeitsgrad haben sollten und eine sehr gute dynamische und statische Stabilität zeigen sollten. Die Angabe «Stabilität» gibt dabei an, dass das Gerät eine schnelle Bewegung des steuerbaren Teiles in die neue Position, ohne dass diese überlaufen wird oder Schwingungen auftreten, führen kann und das Gerät den steuerbaren Teil, unabhängig von dessen momentaner Belastung, mit hoher

Genauigkeit in der neuen Position hält. Diese momentane Belastung kann z.B. im Laufe der Bearbeitung des vom steuerbaren Teil gehaltenen Werkstückes auftreten. Diese Ansprüche an das Gerät werden manchmal mit Steifheit des 5 Systems bezeichnet.

Ziel der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Feineinstellung einer Verschiebung und/oder Drehung zu schaffen, die gegenüber den bekannten eine bessere statische und dynamische Stabilität aufweist, leichter und billiger herstellbar ist io und universal anwendbar ist.

Dieses Ziel wird erfindungsgemäss mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruches 1 erreicht. Im folgenden ist ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

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Fig. 1 ein schematisch dargestelltes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemässen Vorrichtung für eine Werktischverstellvorrichtung an einer Fräsmaschine,

Fig. 2 ein Schnitt entlang der Linie A-A in Fig. 1, und 20 Fig. 3 ein Diagramm, welches das Verhalten einer erfindungsgemässen feineinstellbaren Vorrichtung in bezug auf die Schrittzunahme bei der Verschiebung des steuerbaren Teiles.

25 Die Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemässen Vorrichtung, die einen steuerbaren Teil, der im vorliegenden Fall der Werktisch 10 einer Fräsmaschine ist, einen Support 14, der auf einer Grundplatte 12 montiert ist, und ein System aufweist, um einen Tisch 10 nach oben oder 30 unten eines Drehtisches 1 um Werte zu verstellen, die durch von einer Steuereinrichtung 50 erzeugte Befehlssignale bestimmt sind. Der Werktisch 1 wird bezüglich der Verschiebung nach links oder rechts in einer festen Position gehalten und ist so montiert, dass er in Richtung nach oben oder unten 35 verschiebbar und um eine Mittelachse 13 drehbar ist, die rechtwinklig zur Zeichnungsebene liegt, wobei die Verschiebung oder Drehung mittels ein Support 14 angeordneter hydrostatischer Lager erfolgt, das einen Satz von sechs hydrostatischen Puffern 15,16,18,20,22 und 24 aufweist. Dieauf-40 wärts oder abwärts gerichtete Verschiebung wird durch Änderung des Arbeitsflüssigkeitsdruckes an den unteren und oberen hydrostatischen Puffern 15,18 bzw. 16,20 gesteuert, wobei diese hydrostatischen Puffer 15,16,18,20 auch zur Steuerung der Drehung des Tisches 10 um die Achse 13 45 dienen. Andererseits dienen ein Paar querwirkender an der linken und rechten Seite des Supports im gleichen Abstand von der Drehachse 13 angeordneter hydrostatischer Puffer 22 und 24 dazu, den Tisch in in einer festen Position bezüglich der Verschiebung nach rechts oder links zu halten. Diese so Puffer werden mit einer Arbeitsflüssigkeit mit festeingestellten Drücken, die durch Durchflussbegrenzer 32 bzw. 30 festgelegt werden, gespeist. Es ist ersichtlich, dass bei diesem Aufbau die Drehachse 13 einen Punkt durchläuft, der von den Druckzentren der vier Bereiche der Oberfläche des 55 Werktisches 10, die dem durch die Puffer 15,16,18,20 erzeugten Druck ausgesetzt sind, gleichmässig beabstandet ist und dass unter der Annahme, dass die vier in einer Ebene liegen, jeder Punkt auf dem Werktisch in einer Rotationsebene liegt, die parallel zu der gemeinsamen Ebene der Druck-60 Zentren liegt.

Die Steuerung des Druckes mit dem die Arbeitsflüssigkeit dem Paar oberer und unterer hydrostatischer Puffer 15 und 16 zugeführt wird, erfolgt über ein Steuerventil 26, dem die Arbeitsflüssigkeit mit einem Druck Psui zugeführt wird und 65 das die Relativdrücke der den hydrostatischen Puffern 15 und 16 zugeführten Arbeitsflüssigkeit in Abhängigkeit des von einem Servoverstärker 46 abgegebenen Signals einstellt. Die Relativdrücke der den unteren und oberen hydrostati-

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sehen Puffern 18 und 20 zugeführten Arbeitsflüssigkeit werden auf ähnliche Weise durch ein Steuerventil 28 eingestellt, das von einem Servoverstärker 48 gesteuert wird.

Die Bezugszahlen 34 und 36 bezeichnen Fühler, die zur Feststellung der relativen Verschiebung zwischen der rechten bzw. linken Seite des Tisches 10 bezüglich dem Support 14 bei der Auf- und Abbewegung. Diese Fühler 34 und 36 geben Verschiebesignale ab, die die Werte der Verschiebung des Tisches 10 darstellen. Diese Verschiebesignale werden an Differentialverstärker 38 bzw. 40 angelegt. Die Steuereinrichtung 50 erzeugt Befehlssignale HCl und HC2, deren Werte die Sollposition des Tisches 10 angeben. Das Befehlssignal HCl aus der Steuereinrichtung 50 wird mit dem Verschiebesignal H1 aus dem Fühler 34 mittels des Differentialverstärkers 38 verglichen. Jede Differenz zwischen diesen Signalen kennzeichnet einen Fehler zwischen der Ist-Position der rechten Seite des Werktisches und der durch das Befehlssignal HCl gekennzeichneten Sollposition. Dadurch wird vom Differentialverstärker 38 ein Fehlersignal erzeugt, das über einen Kompensationsschaltkreis 42 an den Servoverstärker 46 angelegt wird. Dadurch gibt der Servoverstärker 46 ein Treibersignal 11 ab. Der Servoverstärker 46 wirkt auf das Steuerventil 26, um das Druckdifferential zwischen den zu den unteren und oberen hydrostatischen Puffern 15 und 16 Arbeitsflüssigkeitsströme so zu steuern, dass die rechte Seite des Tisches 10 in eine Richtung verschoben wird, um den Fehler, d.h. die Differenz zwischen dem Befehlssignal HCl und dem Verschiebesignal zu verringern. In identischer Weise wird das Befehlssignal HC2 mit dem Verschiebesignal aus dem Fühler 36 verglichen. Bei jedem Fehler zwischen der Ist-Position der linken Seite des Tisches 1 und der durch den Wert des Befehlssignals HC2 gekennzeichneten Position wird vom Differentialverstärker 40 ein Fehlersignal erzeugt, das über einen Kompensationsschaltkreis 44 an den Servoverstärker 48 angelegt und in diesem verstärkt wird, um dadurch das Steuerventil 26 zu steuern und somit ein Druckdifferential zwischen den an den oberen und unteren hydrostatischen Puffern 20 und 16 anliegenden Arbeitsflüssigkeitsdrücken zu erzeugen. Die linke Seite des Tisches 10 wird durch in eine durch das Befehlssignal HC2 gekennzeichnete Position verschoben. Mit anderen Worten, die Tischverschiebung nach aufwärts kann durch einen ausreichenden Änderungswert bewerkstelligt werden, der gleichzeitig in den Befehlssignalen HCl und HC2 erzeugt wird. Durch die Differentialverstärker 38 und 40 werden dadurch Fehlersignale erzeugt, die zum Ansteigen des an den hydrostatischen Puffer 15 anliegenden Arbeitsflüssigkeits-druckes bezüglich dem an den oberen hydrostatischen Puffer 16 anliegenden führen. Dadurch werden die Lagerungsspalten der hydrostatischen Puffer 15 und 18 bezüglich den Lagerungsspalten der hydrostatischen Puffer 16 und 20 erweitert. Mit anderen Worten, es wird durch die hydrostatischen Lagerungen eine Kraft an den Tisch 10 angelegt, um den Tisch um einen durch die Werte der Befehlssignale HC1 und HC2 bestimmten Wert nach oben zu verschieben. Diese Aufwärtsbewegung klingt ab, wenn das Verschiebesignal H1 und das Befehlssignal HCl sowie das Verschiebesignal H2 und das Befehlssignal HC2 gleich sind. Ähnlich kann die Drehung des Tisches 10 und die Drehachse 13 durch Änderung der Befehlssignale HC 1 und HC2 um Werte, die gleich sind, aber entgegengesetzte Polarität haben, durchgeführt werden. Dadurch wird eine Seite des Tisches durch eine bestimmte Verschiebung nach oben bewegt und die andere Seite durch die gleiche Verschiebung nach unten bewegt.

Wird angenommen, dass die Werte der Befehlssignale HCl und HC2 Verschiebewerte darstellen, und wenn der Abstand zwischen den Fühlern 34 und 36 L ist, dann kann eine sich aus den Befehlssignalen HCl und HC2 ergebene Verschiebung H des Tisches 10 durch die Gleichung dargestellt werden.

Wird die Winkeldrehung des Tisches 10 um den Drehpunkt 13, die sich aus den Befehlssignalen HCl und HC2 ergibt mit 0 bezeichnet, so gilt

Ist (HCl)-HC2) ausreichend klein in bezug auf L so gilt HCl - HC2

0 = (3)

Da L konstant ist, wird somit ersichtlich, dass die lineare Verschiebung, die Winkeldrehung oder beide des Tisches, durch geeignete Änderung der Amplitude und Polarität der Befehlssignale HCl und HC2 durchgeführt werden kann.

Deshalb ist ersichtlich, dass bei der vorstehend beschriebenen Vorrichtung ein Rückkopplungssystem (Servosystem) angewendet wird, bei dem eine an durch eine als Lagerungen wirkende Mehrzahl von hydrostatischen Puffern angelegte Kraft als Steuerparameter benutzt wird, wobei das Rückkopplungssystem die Befehlssignale und die Verschiebesignale des steuerbaren Teiles ausgleicht. Mit einem solchen System kann die Position des steuerbaren Teiles mit hoher Genauigkeit geändert und beibehalten werden und die lineare Verschiebung und Winkeldrehung gleichzeitig durchgeführt werden. Die vorgesehene Kompensation ermöglicht es auch, dass der steuerbare Teil in einer festen Position gehalten wird, unabhängig davon, dass der steuerbare Teil als Ganzes gedreht wird.

Mit anderen Worten, bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel ist es möglich, eine Kompensation so vorzusehen,

dass der Tisch 10 auf einem bestimmten Niveau gehalten wird, wenn der Tisch 10 gedreht wird.

Die Kompensationsschaltkreise 38 und 44 sind dazu vorgesehen, die Steuerkennwerte einzustellen, z.B. die statischen Eigenschaften des Systems einzustellen.

Fig. 2 zeigt einen Schnitt entlang der Linie A-A in Fig. 1, um zu zeigen, wie der Tisch 10 in einer festen Position bezüglich Vorwärts- oder Rückwärtsverschiebung gehalten ist. Wie dargestellt, erfolgt die Steuerung einer derartigen Verschiebung durch ein zweites Paar querliegender hydrostatischer Puffer 54 und 56, die mit Arbeitsflüssigkeit gespeist werden, deren Arbeitsdruckmittel fest eingestellte Durchflussbegrenzer 58 bzw. 60 festgelegt ist. Es ist ersichtlich, dass eine derartige Anordnung eine freie Verschiebung des Tisches 10 in der Ebene der Fig. 1 erlaubt.

Es wurde festgestellt, dass die beschriebene Vorrichtung die extrem stabile und genaue Einstellung der Position mit sehr kleinen Werten z.B. in der Grössenordnung von 0,005 Mikron oder kleiner bei der linearen Verschiebung und in der Grössenordnung von 0,01 Sek. oder kleiner bei der Drehung durchführen kann. Dies ist im Diagramm von Fig. 3 dargestellt, welche die Ergebnisse bei der Anwendung der schrittweisen Verschiebungen auf den steuerbaren Teil zeigt. Wie dargestellt, wird jeder Verschiebeschritt mit hoher Präzision und Geschwindigkeit ausgeführt, ohne dass ein Überfahren oder ein Schwingen auftritt.

Es wird darauf hingewiesen, dass die beschriebene Vorrichtung ausser mit einer Arbeitsflüssigkeit auch mit einem anderen Medium, z.B. Luft oder Gas betrieben werden kann.

Bei der beschriebenen Vorrichtung ist ausserdem ein einzelner Satz von hydrostatischen Puffern, die als eine Drucklagerung arbeiten, an der rechten und linken Seite des Support vorgesehen. Es ist jedoch gleichwohl möglich, eine

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Mehrzahl von Sätzen derartiger hydrostatischer Puffer an jede Seite vorzusehen, um eine höhere Stabilität bei Augenblickbelastungen des steuerbaren Teiles sicherzustellen.

Obwohl der steuerbare Teil als nur in einer Ebene verschiebbar dargestellt ist (z.B. in Richtung parallel zu der Ebene von Fig. 1), ist es ausserdem möglich, diese auch in

Richtungen parallel zu anderen Ebenen zu verschieben.

Aus der vorstehenden Beschreibung ist ersichtlich, dass die Vorrichtung ein breites Anwendungsfeld hat und z.B. bei Präzisionswerkzeugmaschinen und -messgeräten anwendbar s ist, bei denen ein steuerbarer Teil mit hoher Genauigkeit und Stabilität eingestellt werden muss.

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1 Blatt Zeichnungen

Claims

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PATENTANSPRÜCHE

1. Vorrichtung zur Feineinstellung einer Verschiebung und/oder Drehung, gekennzeichnet durch einen steuerbaren Teil (10), durch eine Steuereinrichtung (50) zur Erzeugung von Befehlssignalen (HCl, HC2), durch einen Support (14), der den steuerbaren Teil (10) so hält, dass dieser in mindestens einer Richtung bewegbar ist, wobei der Support ( 14) eine Mehrzahl von hydrostatischen Lagerungen enthält, die jeweils mindestens ein Paar gegenüberliegende hydrostatische Puffer (15,16; 18,20) aufweist, durch Fühler (34,36) zum Feststellen einer Bewegung des steuerbaren Teiles ( 10) bezüglich dem Support (14) und zur Erzeugung eines Verschiebungssignales (Hl, H2), das den Wert der Bewegung angibt, durch Fehlersignalgeneratoren (38,42,46; 40,44,48) zum Vergleichen der Befehlssignale (HCl, HC2) und der Verschiebungssignale (Hl, H2) und zur Erzeugung von Fehlersignalen, die die Differenz zwischen den Werten der Befehlssignale und den Verschiebungssignalen angeben, durch Steuerventile (26,28), die auf die Fehlersignale ansprechen, um die Drücke eines jedem der hydrostatischen Puffer ( 15,16 ; 18,20) zugleiteten Arbeitsfluids zu steuern, wobei die hydrostatischen Puffer auf den steuerbaren Teil (10) Kräfte ausüben, um den steuerbaren Teil (10) in eine Richtung so zu bewegen, dass die Werte der Verschiebungssignale und der Befehlssignale einander angeglichen und die Werte der Fehlersignale verringert werden.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die hydrostatischen Lagerungen mindestens ein weiteres Paar gegenüberliegender hydrostatischer Puffer (22,24; 54, 56) haben, die auf den steuerbaren Teil ( 10) einwirken, um den steuerbaren Teil ( 10) gegen eine Bewegung in einer Richtung zu sperren.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die hydrostatischen Lagerungen so ausgebildet sind, dass sie den steuerbaren Teil (10) in einer Weise halten, die die Drehung in mindestens einer Ebene erlaubt.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Fehlersignalgenerator einen Differentialverstärker (38,40), der die Werte des Verschiebungssignals und des Befehlssignals vergleicht, um die Fehlersignale zu erzeugen, einen Kompensationsschaltkreis (42,44), der an den Differentialverstärker (38,40) angeschlossen ist und das Fehlersignal empfängt, um das Fehlersignal in einen Solleinstellwert umzuwandeln, und einen Servoverstärker (46,48) aufweist, um das Fehlersignal aus dem Kompensationsschaltkreis (42,44) zu verstärken und das verstärkte Fehlersignal an das Steuerventil anzulegen.