DE10042802C2

DE10042802C2 - Vorrichtung zur mehrachsig feinjustierbaren Lagerung eines Bauteils

Info

Publication number: DE10042802C2
Application number: DE10042802A
Authority: DE
Inventors: Tino Noll; Wolfgang Gudat; Heiner Lammert
Original assignee: BERLINER ELEKTRONENSPEICHERRING-GESELLSCHAFT fur SYNCHROTRONSTRAHLUNG MBH; BERLINER ELEKTRONENSPEICHER
Current assignee: Helmholtz Zentrum Berlin fuer Materialien und Energie GmbH
Priority date: 2000-08-20
Filing date: 2000-08-20
Publication date: 2002-08-01
Anticipated expiration: 2020-08-21
Also published as: EP1326737A1; WO2002016092A1; JP2004506529A; DE10042802A1; AU2001287536A1; US20030150288A1

Abstract

Bekannte Bauteillagerungen benutzen entweder sechs parallel geschaltete Zweigelenkglieder (Hexapode), die zwar mit sechs Freiheitsgraden in hoher Genauigkeit, aber nur in Abhängigkeit voneinander zu verstellen sind, oder über Verbindungskörper in Reihe geschaltete Zweigelenkglieder mit einachsig drehbaren Gelenken, die unter einer Fehleraddition nur zwei rotatorische Auslenkungen zulassen und sich in einem virtuellen Punkt als Ursprungspunkt eines kartesischen Koordinatensystems treffen. Um eine Lagerung zu konzipieren, die mit höchster Genauigkeit, Reproduzierbarkeit und axialer Steifigkeit eine Bewegung des Bauteils in allen sechs Freiheitsgraden ermöglicht, ist bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorgesehen, dass sechs parallel geschaltete Zweigelenkglieder (2J¶1¶, 2J¶2¶, 2J¶3¶, 2J¶4¶, 2J¶5¶, 2J¶6¶) mit je zwei dreiachsig drehbaren Gelenken (J¶1¶, J¶2¶) so in den Koordinatenebenen (XY, XZ, ZY) verteilt angeordnet sind, dass die rotatorischen (x¶rot¶, y¶rot¶, z¶rot¶) und translatorischen (x¶trans¶, y¶trans¶, z¶trans¶) Auslenkungen jeweils unter Verstellung möglichst nur eines Zweigelenkgliedes (2J¶1¶, 2J¶2¶, 2J¶3¶, 2J¶4¶, 2J¶5¶, 2J¶6¶) erzielbar sind ("bestimmte Justierung"). Als Gelenke (J¶1¶, J¶2¶) in den Zweigelenkgliedern (2J¶1¶, 2J¶2¶, 2J¶3¶, 2J¶4¶, 2J¶5¶, 2J¶6¶) werden bevorzugt flexible (J¶1¶, J¶2¶) Gelenke, insbesondere elastische Fasergelenke, eingesetzt. Mögliche Anwendungen sind Lagerungen für optische Bauelemente, insbesondere Spiegel.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur mehrachsig feinjustierbaren Lagerung eines Bauteils für kleine Auslenkungen durch dessen mehrgliedrige Verbindung mit einem mehrgelenkigen Gestell mit zumindest vier, eine hohe axiale Steife aufweisenden Zweigelenkgliedern, deren Mittelachse durch zwei, mit Abstand zueinander angeordnete und zumindest einachsig drehbare Gelenke verläuft und die in einem statischen Wirkzusammenhang zueinander so angeordnet sind, dass

a) drei Zweigelenkglieder einen virtuellen gemeinsamen Schnittpunkt haben,
b) dieser Schnittpunkt der Ursprung eines kartesischen Koordinaten systems ist,
c) zwei der drei Zweigelenkglieder, gemäß Punkt a) mit ihren Mittelachsen in einer ersten Ebene (YZ) des Koordinatensystems liegen,
d) das dritte der drei Zweigelenkglieder gemäß Punkt a) mit seiner Mittelachse in einer zu der ersten Ebene senkrechten zweiten Ebene des kartesischen Koordinatensystems liegt.

Ein Gestell mit einer derartigen Lagerung ist aus der EP 0665389 A1 bekannt und kann der Lagerung von optischen Bauteilen, wie beispielsweise Linsen oder vornehmlich auch Spiegeln, mit einer Feinjustierbarkeit der Auslenkungen des Gestells bis zu 2° mit einer Einstellgenauigkeit von 1" dienen. Das mit der bekannten Vorrichtung zu lagernde Bauteil kann maximal um zwei Achsen gedreht werden. Für die Drehung jeweils um eine Achse weist die Vorrichtung zwei schräg zueinander liegende Zweigelenkglieder auf, deren gedachte Verlängerung den Drehpol als virtuellen Schnittpunkt ergibt. Dieser Schnittpunkt liegt bei der bekannten Lagerung in der oberen Oberfläche des zu lagernden Bauteils. Die beiden Zweigelenkglieder liegen in einer ersten Ebene, auf der die Drehachse entsprechend senkrecht steht. Wenn auch in der Beschreibung die Möglichkeit einer Lagerung über insgesamt drei Zweigelenk glieder zur Lagerung in zwei Drehachsen erwähnt wird, wird hierfür doch grundsätzlich eine Lagerung über vier Zweigelenkglieder bevorzugt, da diese leichter und exakter anzusteuern sei. Die beiden zweiten Zweigelenkglieder (respektive das dritte Zweigelenkglied) sind ebenfalls auf den Schnittpunkt ausgerichtet und liegen in einer zweiten Ebene, die senkrecht auf der ersten Ebene steht. Damit ist die zweite Drehachse in einem statisch bestimmten System festgelegt bzw. ein kartesisches Koordinatensystem mit seinem Ursprung im Drehpol. Bei der bekannten Lagerung bleibt jedoch dessen dritte Achse unbeachtet, da maximal nur eine zweiachsig drehbare Lagerung realisiert werden soll.

Die in der EP 0665389 A1 offenbarten Gelenke, die immer paarweise ein Zweigelenkglied bilden und an dessen gegenüberliegenden Enden angeordnet sind, sind einachsig gestaltet, sodass die für die hohe Einstellgenauigkeit erforderliche axiale Steifigkeit erreicht werden kann. Das führt jedoch dazu, dass die jeweils in einer Ebene angeordneten Zweigelenkglieder auch nur eine einachsige Auslenkung zulassen. Um nun eine zweiachsig drehbare Lagerung zu realisieren, sind bei der bekannten Vorrichtung deshalb die beiden ersten Zweigelenkglieder für die erste Drehrichtung mit den beiden zweiten Zweigelenkgliedern für die zweite Drehrichtung in einem statisch seriellen Wirkzusammenhang zueinander angeordnet. Die Hintereinanderschaltung der entsprechenden Zweigelenkglieder wird dabei über einen relativ kompliziert aufgebauten Verbindungskörper als weiterem Konstruktionselement in dem bekannten Gestell erreicht, der zudem durch einen sphärisch geführten Linearmotor automatisch angesteuert werden muss. Dabei soll eine hohe Kippdynamik in einem Bereich bis 400 Hz erreicht werden. Grundsätzlich sind Reihenschaltungen von Zweigelenkgliedern aber als nachteilig anzusehen, da sich dadurch eine Addition der an jedem Zweigelenkglied auftretenden Justagefehler und eine Verminderung der für die hohe Einstellgenauigkeit erforderlichen axialen Steifigkeit des Gestells ergeben. Deshalb ist bei der bekannten Vorrichtung zumindest ein weiteres Zweigelenkglied vorgesehen, das in deren Längsachsenrichtung angeordnet ist und nur der axialen Versteifung dient.

Reihenschaltungen der einzelnen Gelenkglieder sind auch noch aus verschiedenen anderen Druckschriften zum Stand der Technik bekannt. Hierbei handelt es ich in der Regel um Führungen in reihengeschalteten Stapelanordnungen. Beispielsweise ist aus der FR 2761486 A1 eine Vorrichtung zur Feinjustierung im µm-Bereich um maximal sechs Freiheitsgrade bekannt, die drei einzelne Türme mit jeweils drei einstellbaren Mikrometerschrauben aufweist. Mit den drei Türmen ist ein Support für das zu lagernde Bauteil verbunden, der relativ zu einem Rahmen sechsachsig feinjustierbar ist. Weiterhin sind Vorrichtungen bekannt, die durch eine geeignete Anordnung von Kugellagern eine kardanische Lösung realisieren und durch eine Kombination mit Hubtischen und Goniometern mit sphärische Laufbahnen die Lagerung realisieren.

Als Vorrichtung für eine sechsachsige, axial steife Lagerung mit einem statisch parallelen Wirkzusammenhang zwischen den einzelnen Zweigelenken ist der sogenannte "Hexapode" als klassische Ausführungsform beispielsweise aus der FR 2757440 A1 bekannt. Hierbei handelt es sich um eine sechsbeinige Justier anordnung mit sechs längenverstellbaren Stäben, die in einem Kreis zickzack förmig angeordnet sind. Die Stäbe sind als Zweigelenkglieder mit jeweils einem Kugellager an jedem Ende ausgeführt. Kugellager bergen jedoch eine Reihe von nicht immer tolerierbaren Nachteilen, wie beispielsweise stochastische Bewegungsfehler durch die herstellungsbedingten Formtoleranzen der aufeinander abwälzenden Kugeloberflächen und Laufbahnen, die eine hochpräzise Reproduzierbarkeit der Einstellungen verhindern. Wird diese Unebenheit durch Schmierstoffe oder Beschichtungen ausgeglichen, sind solche Kugellager nur noch bedingt einsatzfähig, insbesondere für einen Betrieb unter Vakuumbedingungen sind sie dann nicht mehr geeignet. Der größere Nachteil bei Verwendung von Hexapoden ist jedoch in dem komplizierten Zusammenwirken der einzelnen Zweigelenkglieder zur Erzielung der mehrachsigen Verstellungen zu sehen. Selbst für einachsige Verstellungen sind in der Regel alle sechs Zweigelenkglieder zu bewegen oder in ihrer Länge zu verstellen, wobei die sich bedingenden Abhängigkeiten nicht ohne Weiteres erkennbar sind. Eine manuelle Verstellung ist deshalb nur schwer möglich und wenn, nur unter Zuhilfenahme zuvor aufwändig erstellter Tabellenwerke. Als Abhilfe ist hier nur eine computerunterstützte automatische Steuerung anzusehen, für die jedoch umfangreiche und zeitaufwändige Computerprogramme erstellt werden müssen. Durch die automatische Steuerung, die insbesondere kostenintensiv ist, werden darüber hinaus zur Erzielung der Längenänderungen elektrisch betriebene Stellmotoren erforder lich, deren Wärmeeintrag in das Gesamtsystem sich aber empfindlich störend auswirken kann und damit unerwünscht ist.

Ausgehend von der zuerst genannten Druckschrift EP 0665389 A1, die den der Erfindung am nächsten liegenden Stand der Technik offenbart, ist es die Aufgabe für die vorliegende Erfindung, eine Vorrichtung zur feinjustierbaren mehrachsigen Lagerung eines Bauteils der oben genannten Art so weiter zubilden, dass das zu lagernde Bauteil in maximal sechs Freiheitsgraden um den Ursprung des kartesischen Koordinatensystems bewegbar ist. Dabei sollen die Auslenkungen ohne großen Aufwand an rechnerischen Vorgaben und anzusteuernden Antrieben realisierbar und möglichst weitgehend unabhängig voneinander einfach ausführbar sein. Die Anzahl der erforder lichen Stellbewegungen soll möglichst gering gehalten werden. Die axiale Steifigkeit der Lagerung soll erhalten bleiben. Mit einem möglichst geringen Kostenaufwand soll eine besonders feinfühlig verstellbare, hochgenaue und schwingungsbeständige mechanische Lagerung realisiert werden.

Als Lösung für diese Aufgabe bei einer gattungsgemäßen Vorrichtung ist bei der Erfindung vorgesehen, dass das Gestell für eine dreiachsige, in maximal sechs möglichen kartesischen Achsen feinjustierbare Lagerung des Bauteils sechsgelenkig mit sechs, dreiachsig drehbaren Gelenke aufweisenden Zweigelenkgliedern ausgeführt ist und alle Zweigelenk glieder in einem statisch parallelen Wirkzusammenhang zueinander angeordnet sind, wobei

a) das vierte Zweigelenkglied mit seiner Mittelachse ebenfalls in der zweiten Ebene liegt,
b) ein fünftes Zweigelenkglied vorgesehen ist, das mit seiner Mittelachse ebenfalls in der ersten Ebene liegt, und
c) ein sechstes Zweigelenkglied vorgesehen ist, das mit seiner Mittelachse in der von dem kartesischen Koordinatensystem aufgespannten dritten Ebene liegt.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung wird in ihrer prinzipiell allgemeinen Form charakteristisch beschrieben durch eine Anordnung von sechs Zweigelenkglie dern zu Erzeugung einer dreiachsigen Auslenkung in einem kartesischen Koordinatensystem, das heißt um insgesamt maximal sechs kartesische Achsen (drei rotatorische, drei translatorische). Die grundlegende Annahme zur Realisierung geht davon aus, dass für kleine Rotationen eines strebenbasierten Systems die Rotationsachsen durch den theoretischen Schnittpunkt der Streben definiert werden. Dadurch ist die Wirkweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung äußerst einfach, die einzelnen Auslenkungen, die sich gegenseitig nur äußerst gering beeinflussen, können durch manuelle Verstellung von einem bis höchstens drei Zweigelenkgliedern erreicht werden, wobei bestimmte Auslenkrichtungen entsprechend bevorzugt werden können. Die Lagerung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist statisch eindeutig bestimmt und in einem besonderen Maße axial stabil und schwingungsfest. Dadurch können höchste Einstellgenauigkeiten erreicht werden. Zu einer weiteren Verbesserung dieser Genauigkeiten trägt auch der statisch parallele Wirkzusammenhang zwischen den sechs Zweigelenkgliedern bei. Durch deren Parallelschaltung werden auftretende Fehler stochastischer und auch systematischer Natur nicht aufaddiert, so dass der Gesamtfehler relativ gering bleibt. Vorbestimmte Einstellungen können spielfrei und mit höchster Genauigkeit reproduziert werden.

Das erste, zweite und dritte Zweigelenkglied bilden eine erste Gruppe aus Zweigelenkgliedern, die den Ursprung eines kartesischen Koordinatensystem und die Ausrichtung der drei kartesischen Ebenen festlegen. Dabei werden zwei Ebenen durch die Lage der Zweigelenkglieder bestimmt, die dritte Ebene ergibt sich automatisch aus der Orthogonalitätsbedingung im Ursprung, so dass in dieser Ebene kein Zweigelenkglied aus der ersten Gruppe liegt. Das vierte, fünfte und sechste Zweigelenkglied bilden eine zweite Gruppe aus Zweigelenk gliedern, die jeweils in einer der drei Ebenen liegen. Ihre Anordnung ist relevant für die zu erzielenden Auslenkungen. Liegen die Zweigelenkglieder mit beliebiger, aber natürlich technisch sinnvoller Orientierung in den Ebenen, ergeben sich kombinierte Auslenkungen, die unter Umständen gar nicht erforderlich sind.

Deshalb ist es nach Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung besonders sinnvoll und vorteilhaft, wenn zur Erzeugung von rotatorischen Auslenkungen zumindest ein Zweigelenkglied aus der von dem vierten, fünften und sechsten Zweigelenkglied gebildeten zweiten Gruppe mit einem definierten Abstand zum Ursprung des kartesischen Koordinatensystems angeordnet ist (Anspruch 2) oder wenn zur Erzeugung von translatorischen Auslenkungen zumindest ein Zweigelenkglied aus der von dem vierten, fünften und sechsten Zweigelenkglied gebildeten zweiten Gruppe parallel zu jeweils einem Zweigelenkglied aus der von dem ersten, zweiten und dritten Zweigelenkglied gebildeten ersten Gruppe angeordnet ist (Anspruch 3). Für rotatorische Auslenkungen wird auf diese Weise ein Hebelarm erzeugt, der direkt manuell genutzt wird oder auch der Befestigung eines Antriebs dienen kann. Bei der translatorischen Beweglichkeit werden durch die vorgesehene Anordnung der weiteren Zweigelenkglieder Parallelogramme erzeugt, die eine Parallelverschiebung der entsprechenden Körperkanten ermöglichen. Auf die weitere Wirkungsweise von solchermaßen angeordneten Zweigelenkgliedern soll an dieser Stelle nicht weiter eingegangen werden, zu Vermeidung von Wiederholungen wird statt dessen auf die Ausführungsbeispiele im speziellen Beschreibungsteil verwiesen.

Für die erfindungsgemäße Vorrichtung können die unterschiedlichsten Anwendungen vorgesehen sein. Eine häufige Anwendung wird die Lagerung eines Kippspiegels sein, um einen auf dessen Oberfläche auftreffenden Lichtstrahl so genau reflektieren zu können, dass selbst in einer Entfernung von 20 m bis 30 m noch eine punktgenaue Justage mit höchster Genauigkeit möglich ist. Gerade aber bei Anwendungen mit optischen Bauteilen, die in Interaktion mit Lichtstrahlen stehen, ist es wichtig, dass diese nicht durch weitere Konstruktionselemente, insbesondere eben auch der Lagerung des Bauelements, behindert werden. Deshalb ist bei einer nächsten Erfindungs ausgestaltung vorteilhaft vorgesehen, dass die Zweigelenkglieder geringfügig aus den drei Ebenen des kartesischen Koordinatensystems versetzt angeordnet sind (Anspruch 4). Eine Änderung im Wirkprinzip der Lagerung der erfindungs gemäße Vorrichtung wird dadurch nicht hervorgerufen. Der Anwender ist jedoch in der Lage, die Anordnung der einzelnen Zweigelenkglieder in einem gewissen Umfang zu modifizieren. Dies soll mit dem Begriff "geringfügig" ausgedrückt werden, da eine Angabe in mm hier wegen der Abhängigkeit von anderen Konstruktionsparametern nicht sinnvoll erscheint. Wichtig ist, dass das jeweilige Zweigelenkglied nur so weit aus der entsprechenden Ebene herausgenommen wird, dass der Lichtstrahl nicht abgeschattet wird. Weiterhin kann dadurch die Montierbarkeit der einzelnen Zweigelenkglieder erleichtert werden. Aus dem Stand der Technik bekannte Maßnahmen wie die Schaffung einer freien Zugänglichkeit von der Bauteilunterseite oder konstruktive Ausnehmungen in "störenden" Bauteilen sind bei der Erfindung nicht erforderlich.

Eine weitere Modifikation der Anordnung der einzelnen Zweigelenkglieder bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist möglich, wenn nach einer nächsten Erfindungsausgestaltung die Anordnung der sechs Zweigelenkglieder in dem sechsgelenkigen Gestell zusätzlich an die Abmessungen des zu lagernden Bauteils angepasst ist (Anspruch 5). Auch hier wird das Wirkprinzip der Anordnung nicht verändert. Da aber bei dem Verteilungsschema der einzelnen Zweigelenkglieder eine Ebene auftreten kann, in der nur ein Zweigelenkglied angeordnet ist, ist es beispielsweise bei flachen, rechteckigen Bauteilen (Spiegel) möglich, diese Ebene auf die schmale Stirnseite des Bauteils zu legen. Probleme der Lagerung der Zweigelenkglieder sind damit vermieden. Dabei wird gemäß einer nächsten Erfindungsausgestaltung vorausgesetzt, dass die Bauteilachsen koaxial zu den kartesischen Achsen ausgerichtet sind (Anspruch 6). Eine solche Zuordnung, zu der die parallele Zuordnung zählt, zu den einzelnen Ebenen und Achsen des kartesischen Koordinatensystem verschafft eine größere Übersichtlichkeit bei der Zuordnung der Elemente und der zu erzielenden Auslenkungen. Sie ist aber durchaus nicht immer erforderlich oder möglich. Beispielsweise können auch Quader über eine Spitze oder Kugeln gelagert werden.

Die aus dem der Erfindung zunächst liegenden Stand der Technik bekannten Zweigelenkglieder sind konstruktiv nicht veränderlich und einachsig aufgebaut, das heißt, sie erlauben eine Kippung nur entlang einer Achse, um die hohe geforderte axiale Steifigkeit zu gewährleisten. Die Kippwinkel werden durch Verschiebung der gesamten Zweigelenkglieder über einen zentralen Antrieb, der auf einer Kugelschale geführt wird, erreicht. Wichtig für diese Anwendung ist jedoch vor allem auch die hohe zu erreichende Dynamik der Kippbewegung mit bis zu 400 Verstellungen pro Sekunde. Bei Anwendungen, die jedoch darauf ausgelegt sind, möglichst wenige Verstellungen vornehmen zu müssen, um den gesamten Aufbau möglichst wenig zu stören, kann es dagegen vorteilhaft wenn, wenn nach einer weiteren Fortführung der Erfindung die Zweigelenkglieder entlang ihrer Mittelachse längenveränderlich aufgebaut sind (Anspruch 8). Dies kann beispielsweise durch eine Spindelkonstruktion realisiert werden, die den Vorteil einer hohen axialen Steifigkeit aufweist. Bei einer solchen Konstruktion ist es dann möglich, dass gemäß einer nächsten Erfindungs ausgestaltung für jede Auslenkung bezüglich einer der sechs kartesischen Achsen eine eigene Einrichtung zur Längenänderung oder Verschiebung der Gelenke oder Zweigelenkglieder vorgesehen ist (Anspruch 9). Hierbei kann es sich dann um die erwähnten Spindeln handeln. Die einzelnen Zweigelenkglieder können aber auch in dem Gestell verschieblich gelagert sein, beispielsweise über Mikrometerschrauben.

Die dreichachsig drehbare Auslegung der Gelenke ermöglicht die einfachen Auslenkmöglichkeiten der erfindungsgemäßen Vorrichtung bei einer Parallel anordnung aller Zweigelenkglieder in der Lagerung. Dabei ist jedoch darauf zu achten, dass die Gelenke auch die an sie gestellten Anforderungen erfüllen. Eine Verwendung von Kugellagern als klassische dreiachsige Gelenke birgt die bereits eingangs erwähnten Nachteile, insbesondere den hohen stochasti schen topographischen Fehler durch die unebenen Abwälzflächen und die häufige Untauglichkeit für einen Betrieb im Vakuum. Gleiches gilt für kardanische Anordnungen aus rotatorischen Kugel- oder Gleitlagern sowie kugelförmigen Einsätzen, die in umhüllenden Gehäusen gelagert werden. Deshalb können nach einer anderen Erfindungsausgestaltung die dreiachsigen Gelenke als flexible Gelenke ausgebildet sein (Anspruch 10). Dabei muss die axiale Steifigkeit der Lagerung gewährleistet sein. Flexible Gelenke sind an sich bekannt und erfüllen die an sie gestellten Bedingungen. Ausführungsformen solcher Gelenke umfassen Blattfedergelenke, die auch über Kreuz angeordnet sein können, Kreuzfedergelenke und Festkörpergelenke. Hierbei handelt es sich um monolithische Lösungen mit entsprechenden Materialeinschnürungen.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn nach einer nächsten Erfindungs ausgestaltung das flexible Gelenk als elastisches Fasergelenk mit zwei starren, als Fassungen ausgebildeten Gelenkenden und einem kurzen Stück Fasermaterial als dazwischen liegendem Verformungsbereich ausgebildet ist (Anspruch 11). Insbesondere kann nach einer weiteren Ausgestaltung nach Anspruch 12 das Fasermaterial als Stahlseil ausgebildet sein. Ein derartiges elastisches Fasergelenk ist einfach in seinem Aufbau und in seiner Fertigung. Durch die Existenz von geeigneten Halbzeugen werden konstruktive Vorgaben, die nur über eine Materialbearbeitung zu erreichen sind (Einschnürungen) vermieden. Es verbindet die Vorteile der Biegegelenke (Spielfreiheit, Reproduzierbarkeit, Vakuumtauglichkeit) mit der dreiachsigen Beweglichkeit von klassischen Kugelgelenken. Die axiale Steifigkeit ist sehr hoch gegenüber monolithischen, biegsamen Bauelementen. Mit dem Verhältnis der freiliegender Länge des Fasermaterials zwischen den Gelenkenden zu seinem Durchmesser werden die möglichen Biegewinkel bestimmt. Mit dem Querschnitt des Fasermaterials werden die Belastbarkeit sowie die axiale Zug- und Drucksteifigkeit festgelegt. Durch den gefaserten Aufbau des Verformungsbereichs zerbricht das Fasergelenk bei einer Überbeanspruchung nicht plötzlich, sondern zeigt Ermüdungserscheinungen in Form eines allmählichen Ausfaserns des Fasermaterials. Das Fasergelenk kann somit immer rechtzeitig vor einem Schaden ausgewechselt werden. Bei einer großen Überbelastung kann das Fasergelenk zwar ausknicken oder ausquetschen, es hält aber die Gelenk enden zusammen, sodass die Verbindung an sich erhalten bleibt. Auch hierdurch kann großer Schaden vermieden werden. Eine weitere Erhöhung der axialen Steifigkeit erhält man, wenn das Fasermaterial aus einer Vielzahl von dünnen Einzelfasern besteht, die miteinander verdrillt oder verflochten sind. Insbesondere kann dann das Fasermaterial in Form eines Stahlseils ausgebildet sein. Derartige Stahlseile sind preiswert und vorkonfektioniert in einer großen Anzahl von unterschiedlichen (Ausführungen (z. B. als Bowdenzug), Abmessungen und Materialien zu erhalten. Weiterhin kann bei der derartigen elastischen Fasergelenken vorgesehen sein, dass das Fasermaterial durch Einklemmung, Einstauchung oder Einklebung mit den Gelenkenden fest verbunden ist. Derartige einfache Verbindungstechniken unterstützen die einfache Herstellbarkeit eines solchen Fasergelenks und gewährleisten einen sicheren Betrieb.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des Gegenstandes nach Anspruch 1 ergibt sich aus den Merkmalen des Anspruchs 7.

Ausbildungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der schema tischen Figuren näher erläutert. Dabei zeigt:

Fig. 1 ein prinzipielles Anordnungsschema der sechs Zweigelenkglie der als Detail der erfindungsgemäßen Vorrichtung,

Fig. 2 das Anordnungsschema gemäß Fig. 1 in einer vereinfachten räumlichen Darstellung

Fig. 3 eine orthogonale Anordnung der sechs Zweigelenkglieder als Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung,

Fig. 4 die Anordnung gemäß Fig. 3 in einer vereinfachten räum lichen Darstellung und

Fig. 5 eine Ansteuerungsmatrix für die Anordnung gemäß Fig. 3 und 4.

Die Fig. 1 zeigt einen an seiner oberen Oberfläche S konkav geformten Spiegel als Bauteil E, das als Sechsgelenkglied ausgeführt ist. Diese Relation entsteht dadurch, dass das Bauteil E in einem sechsgelenkigen Gestell durch sechs Zweigelenkglieder 2J₁, 2J₂, 2J₃, 2J₄, 2J₅ und 2J₆ gelagert ist. In der Fig. 1 ist aus Gründen der Übersichtlichkeit nur die jeweilige Verbindungsstelle der sechs Zweigelenkglieder 2J₁, 2J₂, 2J₃, 2J₄, 2J₅ und 2J₆ mit dem Bauteil E (grau hinterlegt) zu dessen Lagerung dargestellt. Die zweite Lagerung in dem sechsgelenkigen Gestell erfolgt jeweils an den gegen überliegenden Enden der sechs Zweigelenkglieder 2J₁, 2J₂, 2J₃, 2J₄, 2J₅ und 2J₆. Ein entsprechend geformtes Gestell (in der Figur durch eine Strichlierung angedeutet) kann jede konstruktiv mögliche Struktur aufweisen und entspricht den allgemeinen technischen Erkenntnissen für derartige Gestelle. Alle sechs Zweigelenkglieder 2J₁, 2J₂, 2J₃, 2J₄, 2J₅ und 2J₆ sind statisch parallel zueinander zwischen dem Gestell und dem zu lagernden Bauteil E angeordnet.

Diese allgemeine Anordnung ist auch in einer anderen Konstellation zu Lagerung eines einen Absatz aufweisenden Bauteils E in der Fig. 2 dargestellt. Für eine bessere Anschauung wurden hier jedoch die meisten Hilfslinien und Ebenen sowie Bezugszeichen für Details aus der Fig. 1 weggelassen. Lediglich die sechs Zweigelenkglieder 2J₁, 2J₂, 2J₃, 2J₄, 2J₅ und 2J₆ und das Koordinatensystem x, y, z im Schnittpunkt P sind dargestellt. Zu sehen ist in dieser Fig. 2 jedoch, dass zwei Zweigelenkglieder 2J₁, 2J₂, die den Schnittpunkt P mitbilden, nicht ortsveränderlich ausgebildet sind. Sie dienen der Bauteilfixierung, eine Translationsbewegung des Bauteils in Richtung der y- und z-Achsen ist hier nicht vorgesehen. Die möglichen Bewegungen sind eingetragen.

Die Zweigelenkglieder 2J₁, 2J₂, 2J₃, 2J₄, 2J₅ und 2J₆ weisen jeweils zwei Gelenke J₁ und J₂ an ihren gegenüberliegenden Seiten auf, durch die eine Mittelachse MA verläuft. Sie sind axial, das heißt entlang ihrer Mittelachse MA steif ausgeführt und weisen im gewählten Ausführungsbeispiel eine Längen verstellung L auf. Die Gelenke J₁, J₂ sind außerdem dreiachsig ausgeführt, im gewählten Ausführungsbeispiel sind symbolisch Kugelgelenke angedeutet. In realen Ausführungen sind hier flexible Gelenke, insbesondere elastische Fasergelenke mit einem Stahlseil als Biegebereich, zu bevorzugen.

Die drei Zweigelenkglieder 2J₁, 2J₂ und 2J₃ bilden eine erste Gruppe und sind so angeordnet, dass sie einen virtuellen gemeinsamen Schnittpunkt P in der Oberfläche S des zu lagernden Bauteils E haben. In diesen Schnittpunkt P ist der Ursprung eines kartesischen Koordinatensystems mit den Achsen x, y und z und zueinander entsprechend orthogonal ausgerichteten Ebenen XY, XZ und YZ hineingelegt. Die Achsenbezeichnungen des Koordinatensystems sind jedoch austauschbar, die Orientierung erfolgt im gewählten Ausführungs beispiel entlang der Körperkanten des Bauteils E. Die beiden Zweigelenk glieder 2J₁ und 2J₂ liegen mit ihren Mittelachsen MA in einer ersten Ebene YZ des Koordinatensystems. Das dritte Zweigelenkglied 2J₃ liegt mit seiner Mittel achse MA in der zweiten Ebene XY des Koordinatensystems, dessen Aus richtung in allen drei Ebenen und somit auch in der dritten Ebene XZ festgelegt ist.

Eine zweite Gruppe wird von den drei Zweigelenkgliedern 2J₄, 2J₅ und 2J₆ gebildet, von denen das vierte Zweigelenkglied 2J₄ mit seiner Mittelachse MA ebenfalls in der zweiten Ebene XY angeordnet liegt. Gleichzeitig liegt das fünfte Zweigelenkglied 2J₅ mit seiner Mittelachse MA ebenfalls in der ersten Ebene YZ. Damit ist die erste Ebene YZ insgesamt mit drei Zweigelenkgliedern 2J₁, 2J₂ und 2J₅ und die zweite Ebene XY mit zwei Zweigelenkgliedern 2J₃ und 2J₄ besetzt. In der dritten Ebene XZ liegt schließlich das sechste Zweigelenkglied 2J₆ mit seiner Mittelachse MA, so dass diese Ebene XZ nur mit einem Zweigelenkglied besetzt ist. Je nach Anzahl der eingelagerten Zweigelenkglieder können damit die Ebenen als Angriffsflächen der Lager unterschiedliche Größen aufweisen und an die geometrischen Oberflächen S des zu lagernden Bauteils E angepasst werden. Eine geringe Bauteil abmessung kann also bevorzugt in Richtung der y-Achse gelegt werden, zu der nur das sechste Zweigelenkglied 2J₆ senkrecht angeordnet ist.

Eine ähnliche Anordnung ist in der Fig. 3 aufgezeigt. Hierbei handelt es sich um den Ausführungsfall, dass alle Zweigelenkglieder 2J₁, 2J₂, 2J₃, 2J₄, 2J₅ und 2J₆ orthogonal zueinander angeordnet sind. Das Bauteil E weist hier die Form eines flachen Quaders auf, im realen Anwendungsfall kann es sich hierbei beispielsweise um einen Kippspiegel mit einer konkaven Oberfläche S handeln. Der Kippspiegel E ist im Ausführungsbeispiel so gelagert, dass seine Bauteilabmessung ES in y-Achsrichtung liegt. Die Bauteilachsen EA liegen damit koaxial zu den kartesischen Achsen x, y, z. Zur Erzeugung von rotatorischen Auslenkungen, im dargestellten Ausführungsbeispiel sind Rotationen um alle drei Achsen x_rot, y_rot, z_rot möglich, sind alle drei Zweigelenkglieder 2J₄, 2J₅ und 2J₆ der zweiten Gruppe mit einem definierten Abstand R₁, R₂ und R₃ (Hebelarm) zum Ursprung P des kartesischen Koordinatensystems angeordnet. Dieser Abstand kann als Rotationsradius R bezeichnet werden und ist unter Berücksichtigung der statischen Mechanik frei wählbar. Die Zweigelenkglieder 2J₄, 2J₅ und 2J₆ liegen dann tangential am entsprechenden Rotationskreis. Diese Kreise den drei kartesischen Ebenen des Bauteils E ergeben umlaufende theoretische Linien, entlang der das entsprechende Zweigelenkglied überall angeordnet werden kann, damit eine Rotation (im oder entgegen dem Uhrzeigersinn) um die auf der Ebene des Rotationskreises senkrecht stehende entsprechende Rotationsachse zu erzeugen (vergleiche auch Fig. 1).

Weiterhin sind translatorischen Auslenkungen, im in der Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel entlang aller drei Achsen x_trans, y_trans, z_trans möglich. Alle diese drei Zweigelenkglieder 2J₄, 2J₅ und 2J₆ der zweiten Gruppe sind außerdem zusätzlich parallel oder senkrecht zu den Translationen entlang der Achsen x_trans, y_trans, z_trans angeordnet. Dadurch entstehen Parallelogramme, die eine entsprechende Parallelverschiebung bzw. Translation der Bauteil seiten entlang der kartesischen Achsen x_trans, y_trans, z_trans bewirken.

In der Fig. 4 ist wiederum eine vereinfachte perspektivische Darstellung der Zweigelenkkonstellation gemäß Fig. 3 zur Lagerung eines Bauteils E dargestellt. Im hier dargestellten Ausführungsbeispiel handelt es sich bei dem Bauteil E um einen konkaven Kippspiegel, der einen einfallenden Lichtstrahl hochgenau reflektiert. Für eine bessere Anschauung wurden hier wiederum die meisten Hilfslinien und Ebenen sowie Bezugszeichen für Details aus der Fig. 3 weggelassen. Gezeigt sind sechs Zweigelenke 2J₁, 2J₂, 2J₃, 2J₄, 2J₅ und 2J₆, die einer Lageveränderung des Bauteils E in allen sechs kartesischen Achsen x_trans, y_trans, z_trans, x_rot, y_rot, z_rot dienen. Die angedeuteten Kugelgelenke dienen der Versinnbildlichung der dreiachsig drehbaren Gelenkigkeit, ebenso sollen die dargestellten Längenveränderungen nur die Verschiebbarkeit der Angriffspunkte an das Bauelement E andeuten.

Der Fig. 5 ist eine Tabelle zu entnehmen. In der dargestellten Ansteuerungsmatrix ist aufgezeigt, welche Zweigelenkglieder angesteuert werden müssen, um Auslenkungen mit jedem der maximal sechs möglichen Freiheitsgrade hervorrufen zu können. Deutlich zu erkennen ist, dass Rotationen um alle drei rotatorischen Achsen x_rot, y_rot, z_rot jeweils durch Verstellung oder Verschiebung nur eines einzigen Zweigelenkgliedes 2J₄, 2J₅, 2J₆ bewirkt werden können. Auch die Translation in x-Richtung wird ausschließlich durch die Bewegung des Zweigelenkgliedes 2J₃ hervorgerufen. Diese Auslenkungen sind also äußerst einfach und reproduzierbar mit höchster Präzision durch manuelle oder automatische Betätigung jeweils nur eines Antriebes erreichbar. Von Bedeutung ist hierbei noch, dass Rotationen auf die Bauteilpositionierung einen sehr viel größeren Einfluss haben als Trans lationen, insbesondere bei einem Spiegel. Die Translation in die z-Richtung erfordert die Verstellung von zwei Zweigelenkgliedern 2J₂, 2J₄ um den gleichen Betrag, was sicherlich immer noch als einfache Verstellbarkeit bezeichnet werden kann. Maximal müssen drei Zweigelenkglieder 2J₁, 2J₅, 2J₆ um den gleichen Betrag verstellt werden, um eine Translation in die y-Richtung zu erzielen.

Bezugszeichenliste

E Bauteil
EA Bauteilachse
ES geringe Bauteilabmessung von E
S Oberfläche von E
J_m

Gelenk (m =

1

,

2

)

2

J_n

Zweigelenkglied (n =

1

,

2

,

3

,

4

,

5

,

6

)
L Längenverstellung von J_m

MA Mittelachse von J_m

P virtueller gemeinsamer Schnittpunkt (Ursprung)
R Rotationsradius
R₁

, R₂

, R₃

definierter Abstand zum Ursprung P (Hebelarm)
x, y, z Achsen des kartesischen Koordinatensystems
x_rot

, y_rot

, z_rot

Achsen als Roationsachsen
x_trans

, y_trans

, z_trans

Achsen als Translationsachsen
XY, XZ, YZ Ebenen des kartesischen Koordinatensystems

Claims

1. Vorrichtung zur mehrachsig feinjustierbaren Lagerung eines Bauteils für kleine Auslenkungen durch dessen mehrgliedrige Verbindung mit einem mehr gelenkigen Gestell mit zumindest vier, eine hohe axiale Steife aufweisenden Zweigelenkgliedern, deren Mittelachse durch zwei, mit Abstand zueinander angeordnete und zumindest einachsig drehbare Gelenke verläuft und die in einem statischen Wirkzusammenhang zueinander so angeordnet sind, dass

a) drei Zweigelenkglieder (2J₁, 2J₂, 2J₃) einen virtuellen gemeinsamen Schnittpunkt (P) haben,
b) dieser Schnittpunkt (P) der Ursprung eines kartesischen Koordinaten systems (x, y, z) ist,
c) zwei (2J₁, 2J₂) der drei Zweigelenkglieder (2J₁, 2J₂, 2J₃) gemäß Punkt a) mit ihren Mittelachsen (MA) in einer ersten Ebene (YZ) des Koordinatensystems (x, y, z) liegen,
d) das dritte (2J₃) der drei Zweigelenkglieder (2J₁, 2J₂, 2J₃) gemäß Punkt a) mit seiner Mittelachse (MA) in einer zu der ersten Ebene (YZ) senkrechten zweiten Ebene (XY) des kartesischen Koordinatensystems liegt,

dadurch gekennzeichnet, dass
das Gestell für eine dreiachsige, in maximal sechs möglichen kartesischen Achsen (x_rot, y_rot, z_rot, x_trans, y_trans, z_trans) feinjustierbare Lagerung des Bauteils (E) sechsgelenkig mit sechs, dreiachsig drehbaren Gelenke (J₁, J₂) aufweisenden Zweigelenkgliedern (2J₁, 2J₂, 2J₃, 2J₄, 2J₅, 2J₆) ausgeführt ist und alle Zweigelenkglieder (2J₁, 2J₂, 2J₃, 2J₄, 2J₅, 2J₆) in einem statisch parallelen Wirkzusammenhang zueinander angeordnet sind, wobei

a) das vierte Zweigelenkglied (2J₄) mit seiner Mittelachse (MA) ebenfalls in der zweiten Ebene (XY) liegt,
b) ein fünftes Zweigelenkglied (2J₅)vorgesehen ist, das mit seiner Mittelachse (MA) ebenfalls in der ersten Ebene (YZ) liegt, und
c) ein sechstes Zweigelenkglied (2J₆) vorgesehen ist, das mit seiner Mittelachse (MA) in der von dem kartesischen Koordinatensystem (x, y, z) aufgespannten dritten Ebene (XZ) liegt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung von rotatorischen Auslenkungen (x_rot, y_rot, z_rot) zumindest ein Zweigelenkglied (2J₄, 2J₅, 2J₆) aus der von dem vierten, fünften und sechsten Zweigelenkglied (2J₄, 2J₅, 2J₆) gebildeten zweiten Gruppe mit einem definierten Abstand (R₁, R₂, R₃) zum Ursprung (P) des kartesischen Koordinatensystems (x, y, z) angeordnet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung von translatorischen Auslenkungen (x_trans, y_trans, z_trans) zumin dest ein Zweigelenkglied (2J₄, 2J₅, 2J₆) aus der von dem vierten, fünften und sechsten Zweigelenkglied (2J₄, 2J₅, 2J₆) gebildeten zweiten Gruppe parallel zu jeweils einem Zweigelenkglied (2J₁, 2J₂, 2J₃) aus der von dem ersten, zweiten und dritten Zweigelenkglied (2J₁, 2J₂, 2J₃) gebildeten ersten Gruppe angeordnet ist.

4. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Zweigelenkglieder (2J₁, 2J₂, 2J₃, 2J₄, 2J₅, 2J₆) geringfügig aus den drei Ebenen (XY, XZ, ZY) des kartesischen Koordinatensystems (x, y, z) versetzt angeordnet sind.

5. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung der sechs Zweigelenkglieder (2J₁, 2J₂, 2J₃, 2J₄, 2J₅, 2J₆) in dem sechsgelenkigen Gestell zusätzlich an die Abmessungen des zu lagernden Bauteils (E) angepasst ist.

6. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Bauteilachsen (EA) koaxial zu den kartesischen Achsen (x, y, z) ausgerichtet sind.

7. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der virtuelle gemeinsame Schnittpunkt (P) als Ursprung des kartesischen Koordinatensystems (x, y, z) in der Oberfläche (S) des zu lagernden Bauteils (E) liegt.

8. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Zweigelenkglieder (2J₁, 2J₂, 2J₃, 2J₄, 2J₅, 2J₆) entlang ihrer Mittelachse (MA) längenveränderlich (L) aufgebaut sind.

9. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass für jede Auslenkung bezüglich einer der sechs kartesischen Achsen (x_rot, y_rot, z_rot, x_trans, y_trans, z_trans) eine eigene Einrichtung zur Längenänderung (L) oder Verschiebung der Gelenke (J1, J2) oder Zweigelenkglieder (2J₁, 2J₂, 2J₃, 2J₄, 2J₅, 2J₆) vorgesehen ist.

10. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die dreichachsig drehbaren Gelenke (J₁, J₂) als flexible Gelenke ausgebildet sind.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das flexible Gelenk (J₁, J₂) als elastisches Fasergelenk mit zwei starren, als Fassungen ausgebildeten Gelenkenden und einem kurzen Stück Fasermaterial als dazwischen liegendem Verformungsbereich ausgebildet ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Fasermaterial als Stahlseil ausgebildet ist.