DD200956A1 - Zweikoordinatenantrieb - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf einen Zweikoordinatenantrieb, insbesondere zur Grob- und Feinpositionierung von werkzeugen, Werkstuecken oder Bauteilen und Baugruppen wissenschaftlicher Geraete. Sie kann ferner angewendet werden als Stellglied in numerisch gesteuerten Werkzeugmaschinen, als Antriebselement in Industrierobotern sowie als Verstellantrieb zur Justierung zweier oder mehrerer Teile zueinander. Durch die Erfindung wird ein Antriebsmechanismus geschaffen, der auf einer hinreichend planen Flaeche in zwei Koordinaten Bewegungen mit theoretisch unbegrenztem Bewegungsbereich ausfuehren kann und sich gegenueber den bekannten Ausfuehrungsformen durch eine geringere Masse und damit eine hoehere Dynamik auszeichnet. Der Bewegungsablauf, die Schrittgroesse und die Verstellgeschwindigkeit sollen durch Frequenz, Amplitude und Impulsform der Ansteuerspannung veraenderbar sein. Erfindungsgemaess wird die Bewegung des Koerpers durch Schrittbewegungen von drei oder mehr Paar Fuessen hervorgerufen. Die Bewegung des jeweiligen Fusses wird durch mindestens drei piezoelektrische bzw. magnetostriktive Dehnelemente erzeugt, die vorzugsweise orthogonal zueinander angeordnet sind.

Description

Titel der Erfindung Zw eiko ordinat enantri eb Anwendungsgebiet der Erfindung

Dis Erfindung besieht sich, auf einen Zweikoordinatenantrioo,, insbesondere sur Grob- und ffeinpositionierimg von Y/erkzeugen, Werkstücken oder Bauteilen und Baugruppen wissenschaftlicher Gei'äte^ Sie kann ferner angewendet werden als Stellglied in numerisch, gesteuerten YierkzeugssaschineSj als Ab trieb sei eoient in Industrieroboters! sov^ie als Verstellantrieb sur Justierimg zweier oder saebtrerer Teile zueinander, z_o B. bei der fotolithografiscaen übertragung von Strukturen einer Maske auf ein Halbleitersubstrat, zur Herstellung dieser Masken in einem Repeat-Prozeß o_e ä*

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Für Grob-» und Peinpositionierungen werden im wissenschaftlichen Gerätebau in vielen Anwendungsfallen elektrische, gesteuerte und geregelte Rotationsraotoren eingesetzt, v^obei die Rotationsbewegung durch einen Wälzschraubtrieb in eine Translationsbewegung umgewandelt wird· Weiterain sind pneumatisch oder hydraulisch betätigte Kolben-Zylinder-Anordnungen 3ur Erzeugung einer Translationsbewegung bekannt,, Als Führungen werden im allgemeinen Rollen», Kugel- oder Gleitlager oder auch Parallelogramms eingesetzt.

Zur Erzielung von Verstellungen in zwei Koordinaten (Flächenantrieb) werden meist zwei Einkoordinatenantriebe orthogonal aufeinander montiert} so daß ein Antrieb den zweiten mitbewegt

0 c μ n\i λ η η α ... η η ο ι^ ο η

Si?

(Sandwich-Antrieb)«, Diese Konstruktion führt infolge der Erhöhung der zu bewegenden Massen zu einer Verschlechterung der Dynamik des Systems«»

Weiterhin sind Antriebssysteme bekannt, bei denen die Kontraktion bzw. Dilatation piezoelektrischer Keramiken unter dem Einfluß veränderlicher elektrischer Felder für Positionierzwecke ausgenutzt wird· Diese einfachen piezoelektrischen Elemente, bzw« in Stapeln zusammengeklebte Elemente (Dickenschwinger) oder auch Biegeelemente (Bimorph) sind aufgrund des unter vertretbaren Randbedingungen erreichbaren geringen Verstellweges im Mikrometerbereich, nur für Peinpositionierungen verwendbar (z„ B, WP 143128 DD)· Größere Verstellwege sind mit translatorischen Schrittmotoren erreichbar. Ein solcher_ä sich auf einer geschliffenen Gleitbahn peristaltisch bewegender Antrieb, wird im WP 92968 DD beschrieben. Die Schrittbewegung' wird durch alternierendes Klemmen der Enden eines aktiven Dehnelementes (s. B. Stapel piezoelektrischer Elemente) erreicht. Für Positionierungen in zwei Koordinaten ist hier ebenfalls ein Sandwich-Aufbau erforderlich, leben der Notwendigkeit der Schaffung einer hochgenauen Gleitbahn treten noch Probleme hinsichtlich der Optimierung der Klemmeinrichtung auf _β

Ein weiterer translatorischer Schrittmotor ist in W? 125309 DD dargestellt. Dieser besteht aus einem zu verschiebenden Grundkörper, der senkrecht zu einer führungsbahn eine beliebige Anzahl von Federbeinen aufweist, die an ihrem oberen Ende eingespannt sind und deren unteres Ende in genügend Spiel bietenden Hohlräumen um ihre Längsachse abbiegbar sind, wobei der untere Fußpunkt eines jeden Federbeins auf der Führungsbahn aufsitzt und mit einem Gleithaftbelag versehen ist. Die Federbeine sind über mit beliebiger Hilfeenergie betriebenen Ansteuerelemente zeitlich hintereinander bzw. in Gruppen auch parallel ansteuerbar« Das Abbiegen der Federbeine erfolgt immer bia zu einem Anschlag, der die Unterkante des jeweiligen Hohlraumes bildet, in dem sich das Federbein befindet. Als Ansteuerelemente kommen pneumatisch oder hydraulisch, betätigte Kolben. Elektromagnet e oder auch piezoelektrische sowie magnstostriktive Elemente in Betracht.

Um die Bewegung in zwei Koordinaten zu ermöglichen, sind solche Aasteuerelemente je?ieils zueinander senkrecht stehend anzuordnen,

Nachteilig bei dieser Äüox'däujug lau die iatö&oue, α»3 die Schrittgröße von der Anzahl der vorhandenen bzw«, angesteuerten Federbeine abhängt„ Außerdem muß die Ebenheit der Führungsbahn hohen Anforderungen genügen_s damit es nicht zu unterschiedlichen Auflagekräften auf die einseinen Füße kommt und die weniger belasteten Füße evtl. rutschen.

Aus dieses Grund ist der Schrittmotor nicht als Stellantrieb verwendbars so daß für hochgenaue Positionsaufgaben eine Regelung notwendig wird«

Siel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist, einen Antriebsmechanismus su schaffen, der zum. Zwecke der Grob- und Peinpositionierung auf einer hinreichend ebenen Fläche in zwei Koordinaten (Fläciienantrieb) Bewegungen mit theoretisch unbegrenztem. Bewagungsbersicbi ausführen kann und sich gegenüber den bekannten Ausführungsformen durch eine geringere Masse und damit eine höhere Dynamik auszeichnet _β

Darlegung des Wesens der Erfindung

Ausgehend vom Schrittmotor nach WP 125309 DD liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, Bewegungen von Körpern auf einer hinreichend planen Fläche in zwei Koordinaten mit theoretisch unbegrenztem Bewegungsbereich zum 2Swecke der Verstellung, Justierung oder Positionierung zu erreichen* Der Bewegungsablauf, die Schrittgröße und die Yerstellgeschwindigkeit sollen durch Frequenz, Amplitude und Impulsform der Ansteuerspannung verändert werden können«, Der neue Antrieb ist so auszubilden, daß die Steifigkeit des Systems höher als beim Antrieb nach. WP 125309 DD ist» Erfindungsgemäß wird eine translatorische Bewegung in zwei Koordinaten durch Schrittbewegungen von vorzugsweise drei oder mehr Paaren von Füßen auf einer hinreichend planen Fläche hervorgerufen, wobei die Füße der jeweiligen Paare dicht nebenein-

ander angeordnet sind» Die Bewegung des jeweiligen Fußes wird durch mindestens drei Dehnelemente erzeugt, die vorzugsweise orthogonal zueinander angeordnet sind. Die Dehnelemente können vorzugsweise, durch piezoelektrische bzw* magnet03triktive Elemente realisiert werden, die durch Variation der jeweiligen Ansteuerenergieform eine Längenänderung hervorrufen .·

Jeweils eines der drei Dehnelemente ist senkrecht zur planen Fläche angordnet, wobei das untere Ende fest mit dem jeweiligen Fuß und das obere Ende fest mit dem zu bewegenden Körper (z· B, einer Platte) verbunden ist» Für diese Dehnelemente kommen piezoelektrische oder magnetostriktive Elemente mit rechteckigem Querschnitt zum Einsatz, wobei die Querschnitts·™ fläche im Y/inkel von 45° zu den Auslenkungsrichtungen. liegt ₃ .... Die beiden anderen Dehneleinente sind parallel zur Fläche angeordnet _s wobei das eine Ende fest mit dem jeweiligen Fuß und das andere Ende über einen Auslegearm fest mit dem zu bewegenden Körper verbunden ist»

Die Erzeugung von Schrittbeivegungen des erfindungsgemäßen Zweikoordinatenantriebes erfolgt in der Art, daß gleichseitig bei allen Paaren von Füßen jeweils durch entsprechende Anregung einer der beiden Füße eines jeden Paares von der planen Fläche abhebt und der andere in Haftreibungskontakt mit der Fläche verbleibt. Die horizontal angeordneten Dehneiemente werden derart angeregt, daß es zu einer Verschiebung des zu bewegenden Körpers in die gewünschte Richtung kommt_β Der zweite Teil des Schrittes erfolgt durch entsprechende Ansteuerung der anderen Füße der .Paare, Es entsteht eine Art Schrittbewegung mit wechselseitigem Anheben und Vorwärtsbewegen der Füße*

Die mit dem Zweikoordinatenantrieb möglichen Verstellwege sind theoretisch unbegrenzt und werden praktisch nur von den Abmessungen der planen Fläche bestimmt«

Gegenüber der herkömmlichen Sandwich-Bauweise besitzt dieser Antrieb wegen Fortfalls von Zwischenelementen und Führungen bei Verwendung von piezoelektrischen Elementen eine geringere Masseβ

Der Bewegungsablauf j die Schrittgröße und die Positioniergeschwindigkeit können duroh Variation der Frequenz, Amplitude und Form der Ansteuerung verändert werden* Durch entsprechende

Ansteuerung kann außerdem, eine Drehbewegung erzeugt bzw* vermieden werden und beliebige Bewegungsrichtungen, d₃ h« nicht nur orthogonale Be?iegungen_s realisiert Y^erden* Zwischen den Füßen und der planen Fläche besteht nur ein Haft- oder Gleitreibungskontakte Die Reibung kann durch zusätzliche Kräfte (z, B_e Federspannung ₉ elektrostatische oder elektromagnetische Kräfte) und durch spezielle Reibbeläge unterstützt werden«

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll an Hand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert werden«

Das Ausführungsbeispiel eines piezoelektrischen Zweikoordinatenantriebes besteht aus drei Antriebselamenten mit je einem Fußpaar_β Bin Antriebselement ist in der Zeichnung -dargestellt· Die Dehnelemente 1 bis G werden durch piezoelektrische Elemente ("Längsschwinger¹¹) realisiert* Die vertikal angeordneten Dehnelemente sind fest mit den Füßen 7; 8 und dem. zu bewegen» den Körper 10 verbunden» Die horizontal angeordneten Dehnelemente Ί; 2; 4 j 5 sind fest mit den Füßen 7; 8 und über Auslegearme 9«1 bis 9,4 nut dem zu bewegenden Körper 10 verbunden« 'Zur Erzeugung einer Translationsbewegung.in z_e B₆ y-Richtung wird zunächst Element 3 niit einer positiven Spannimg beaufschlagt₉ was bei negativem do*-Modul eine Kontraktion des piezoelektrischen Elements und damit ein Anheben des Fußes 8 von der planen Fläche 11 bewirkt* Danach werden die Elemente 1 lind 4 angeregt₅ was zu einer Verschiebung des Fußes 8 in y-Richtung führt« Der Fuß 7 verbleibt in Haftreibungskontakt mit der Fläche 11, Das Abschalten der Spannung an Element 3 und gleichzeitige Zuschalten einer Spannung an Element 6 bewirkt ein Absenken des Fußes 8 auf die Fläche 11 und ein Anheben des Fußes 7* Infolge des Haftreibungskontaktes zwischen dem Fuß 7 und der Fläche 11 kommt es nach Abschalten der Elemente 1 und 4 zu einer weiteren Verschiebung der Platte 10 in y-Richtung« lach Abschalten von Element 6 wird der Grundsustand wieder erreicht bei einer Versetzung der Platte 10 in y-Richtung um die Summe der Kontraktionswege der Elemente 1 und 4*

Bewegungen in x-Richtung können analog zur y-Richtung unter Einbeziehung der Elemente 2 und 5 statt der Elemente 1 und 4 erzeugt werden» Ebenfalls sind Bewegungen in beliebige Richtungen auf der Fläche 11 bei entsprechender Ansteuerung aller Elemente 1-6 möglich. Die Biegesteifigkeit der Elemente Ί; 2; 4; 5 erhöhen die Federsteifigkeit in der x-y-Ebene, verringern jedoch gleichseitig etwas die maximale Schriftgröße·

Claims (6)

1. Erf indungsanspruc fa.

   1_β Zweikoordinatenantrieb zur Erzeugung von Bewegungen eines Körpers auf einer hinreichend planen Fläche, mit mehreren senkrecht zur Fläche angeordneten Debneleraenten, welche am oberen Ende an dem zu bewegenden Körper befestigt sind und an ihrem unteren Ende je einen Fuß besitzen, und mit jeweils zwei horizontal angeordneten, senkrecht zueinanderstehenden, die Auslenkung der senkrecht angeordneten Dehnelemente in den Koordinatenrichtungen bewirkenden Dehnelementen_s dadurch gekennzeichnet, daß die Füße paarweise angeordnet sindj die zu einem Paar gehörenden Füße 7; 8 dicht nebeneinander stehend, die die Auslenkung der Füße bewirkenden Dehnelemente· 1; 2 und 4; 5 an-einem Ende fest mit dem jeweiligen Fuß 7 bz?i» 8 und am anderen Ende über je einen Auslegearm9«1» 9*2 und 9*3; 9<>4 fest rait dsm zu bewegenden Körper 10 verbunden sind,
2. 2» Zweikoordinatenantrieb nach. Punkt 1, dadurch gekennzeichnet_s daß als senkrecht angeordnete Dehnelemente 3; 6 piezoelektrische oder magnetostrictive Elemente mit rechteckigem Querschnitt zum Einsatz kommen, wobei die Querschnittsfläche im Winkel von 45° zu den Auslenkrichtungen liegt.
3. 3* Zweikoordinatenantrieb nach Punkt 1 und 2, dadtirch gekennzeichnet, daß der zu verschiebende Körper 10 mit drei Paar

   Füßen verbunden ist, die die Eckpunkte eines gleichseitigen . Dreiecks-bilden»
4. 4« Zweikoordinatenantrieb nach Punkt 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Füße mit Reibbelägen versehen sind«
5. 5* Zweikoordinatenantrieb nach Punkt 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet 5 daß der Reibungskontakt zwischen den Füßen und der planen Fläche durch elektrostatische oder magnetische Kräfte unterstützt wird.
6. 6« Zweikoordinatenantrieb nach Punkt 1 bis 5_S dadurch gekenn-* zeichnet, daß auf dem Körper 10 eine den Reibungskontakt verstärkende Kraft wirkt«·

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