DE10155788B4

DE10155788B4 - Vorrichtung zur hochgenauen und reproduzierbaren Kraftaufbringung auf Werkzeuge

Info

Publication number: DE10155788B4
Application number: DE2001155788
Authority: DE
Inventors: Volker Dr.-Ing.habil. Herold; Michael Dr.-Ing. Markworth; Rainer Dipl.-Ing. Schwennicke
Original assignee: Friedrich Schiller Universtaet Jena FSU; IGAM Ingenieurgesellschaft fur angewandte Mechanik mbH
Current assignee: Friedrich Schiller Universtaet Jena FSU; IGAM Ingenieurgesellschaft fur angewandte Mechanik mbH
Priority date: 2001-11-12
Filing date: 2001-11-12
Publication date: 2006-11-23
Anticipated expiration: 2021-11-13
Also published as: DE10155788A1

Abstract

Vorrichtung zur hochgenauen und reproduzierbaren Kraftaufbringung auf Werkzeuge, insbesondere für Präzisionswerkzeuge, wie zum Polieren von Werkstücken, enthaltend eine erste Grundplatte (1), welche kraft- bzw. formschlüssig, vorzugsweise über eine Kupplung, mit einem Antrieb zur Vorschubbewegung, beispielsweise einer Spindel, verbunden ist, sowie enthaltend eine zweite mit dem Werkzeug (5) in Verbindung stehende Grundplatte (2), wobei die beiden Grundplatten (1, 2) über mindestens eine an sich bekannte hochgenaue Führung, z. B. über mehrere Zylinderführungen (3), und gegen die Kraft von Gleichkraftfedern (4) gegeneinander bewegbar sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur hochgenauen und reproduzierbaren Kraftaufbringung zur Zustellbewegung von Werkzeugen. Präzisionswerkzeuge, beispielsweise zum Korrekturpolieren von optischen Bauelementen (Linsen, Spiegel etc.) bearbeiten diese Werkstücke mit Abtrennhöhen im μm- und nm-Bereich. Um die Bearbeitung in diesen Genauigkeitsbereichen exakt und reproduzierbar steuern zu können, muss vom Antrieb auf das Werkzeug eine entsprechende Normalkraft definiert und möglichst schwankungsfrei auf das Werkstück aufgebracht werden.

Es ist allgemein bekannt, diese Normalkraft durch Gewichtskraft, durch hydraulische bzw. pneumatische Kraftübertragung oder durch Magnetkraft auf das Werkzeug (z. B. einen Polierkopf) aufzubringen.

Aus der DE 197 01 735 A1 ist eine Vorrichtung zur Kraftaufbringung auf ein Polier-Werkzeug bekannt, welche kraft- bzw. formschlüssig über eine Kupplung mit einem Spindelantrieb zur Vorschubbewegung versehen ist, wobei die Vorschubkraft aus dem Vorschubweg und dem Einknicken eines durch Federkraft vorgespannten Gelenks des Polier-Werkzeugs resultiert.

Bekannt ist ebenfalls, die Werkzeug-Normalkraft mittels Federkraft auf einen Polierkopf zu übertragen (A. Leitel: „Fertigungstechnische Betrachtungen zu Hochleistungsspiegeln des optischen Präzisionsgerätebaues", Habilitation, Friedrich-Schiller-Universität Jena, 1989; V. Giggel: „Verfahren zur rechnergesteuerten Polierkorrektur hochgenauer optischer Funktionsflächen" Dissertation, Friedrich-Schiller-Universität Jena, 1988).

Die Abtrennhöhe ist direkt proportional zu dem auf das Werkstück aufgebrachten Bearbeitungsdruck (Polierdruck). Bearbeitungssysteme, die keine reproduzierbaren Normalkräfte hervorrufen, führen zu Schwankungen im Bearbeitungsergebnis. Solche Kraftschwankungen werden u. a. durch Abweichungen der Positioniersysteme (Bahnfehler), durch zeitliche Änderungen von Prozessgrößen, durch Gewichts- und Federkräfte sowie durch Massenträgheiten beim Beschleunigen hervorgerufen.

Pneumatische und hydraulische Systeme besitzen den Nachteil von Dichtungsreibungen, welche ebenfalls Kraftschwankungen hervorrufen. Magnetische Kraftaufbringung ist mit erhöhtem Aufwand bzw. mit Hystereseproblemen verbunden.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zu Grunde, eine auf einen Sollwert bezogene Kraft sehr exakt sowie mit einem Minimum an zeitlichen und örtlichen Schwankungen auf das Werkzeug aufzubringen.

Erfindungsgemäß besteht die Vorrichtung aus zumindest zwei Grundplatten, welche über wenigstens eine hochgenaue Führung, beispielsweise mehrere Zylinderführungen, und über Gleichkraftfedern form- und kraftschlüssig gegeneinander bewegbar sind. Die erste Grundplatte steht dabei, vorzugsweise über eine Kupplung, mit einem Antrieb für die Zustellbewegung, beispielsweise einer Spindel, in Verbindung; die zweite Grundplatte ist mit dem Werkzeug gekoppelt. Die Gleichkraftfedern sorgen in einem hinreichend großen Bereich für eine weitgehend konstante Kraftwirkung zwischen den beiden Grundplatten, unabhängig von der Verspannung (Federweg) und somit vom Abstand der Grundplatten, so dass in einem definierten Federhub die Federkraft nahezu unverändert bleibt. Die auf die erste Grundplatte wirkende Verschiebung (Stellweg der Zustellbewegung) wird im Wesentlichen unbeeinflusst von federwegabhängigen Faktoren, mechanischen Reibungen und sonstigen Störeinflüssen auf die zweite Grundplatte und damit auf das Bearbeitungswerkzeug übertragen. Zeitliche und örtliche Schwankungen bei der Kraftübertragung sind auf ein Minimum reduziert und, wie Untersuchungen zeigen, selbst für Präzisionsanwendungen in der Praxis vernachlässigbar.

Besonders gute Ergebnisse werden erzielt, wenn die zweite Grundplatte über eine an sich bekannte Kalottenlagerung mit dem Bearbeitungswerkzeug in Verbindung steht. In diesem Fall wird die durch Anwendung der Gleichkraftfedern weitgehend konstante auf die zweite Grundplatte wirkende Normalkraft für die Vorschubbewegung des Werkzeuges auch mit gleichmäßiger Druckverteilung auf die Oberfläche zwischen dem Werkzeug und dem Bearbeitungsgegenstand (Werkstück) übertragen.

Die Erfindung soll nachstehend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden.

Es zeigen:

1: Gesamtansicht eines Polierkopfes als erfindungsgemäße Vorrichtung

2: Paar von Gleichkraftfedern im entspannten und verspannten Zustand

3: Diagrammdarstellung der Kraftwirkung der Gleichkraftfedern in Abhängigkeit des Hubes (Federweg)

4: Vorrichtung mit Schnittdarstellung einer Kalottenlagerung des Werkzeuges
In 1 ist eine Ausführungsmöglichkeit der erfindungsgemäßen Vorrichtung als Polierkopf in Gesamtdarstellung gezeigt. Eine erste Grundplatte 1 und eine zweite Grundplatte 2 sind über vier Zylinderführungen 3 sowie über vier Paare von Gleichkraftfedern 4 miteinander verbunden. Diese Paare von Gleichkraftfedern 4 sind so angeordnet, dass radiale, tangentiale und kippende Kräfte kompensiert und ausschließlich axiale Kräfte erzeugt werden. Auf die Grundplatte 1 wirkt ein aus Übersichtsgründen nicht in der Zeichnung dargestellter Antrieb zur Erzeugung eines Polierdrucks auf ein mit der Grundplatte 2 in Verbindung stehendes Polierwerkzeug 5, welches für die Polierbewegung rotatorisch über eine Balgkupplung 6 bewegt wird. Bei Ausübung einer Kraftwirkung (Zustellbewegung) über den nicht dargestellten Antrieb auf die Grundplatte 1 wird diese über die Zylinderführungen 3 gegen die Federwirkung der Gleichkraftfedern 4 relativ zur Grundplatte 2 bewegt. Durch die Gleichkraftfedern 4 bildet sich in einem definierten Hubbereich (Federweg) eine weitgehend konstante Federkraft zwischen den Grundplatten 1 und 2 aus, so dass die auf die Grundplatte 1 wirkende Verschiebung (Stellweg der Zustellbewegung für den Polierdruck) nahezu ohne zeitliche und örtliche Schwankungen auf die Grundplatte 2 und damit auf das Polierwerkzeug 5 übertragen wird.
In 2 ist ein Paar Gleichkraftfedern 4 im entspannten sowie im verspannten Zustand dargestellt. 3 zeigt als Diagramm die Abhängigkeit der Kraft der Gleichkraftfedern 4 in Abhängigkeit des Hubes (Federweg). Aus diesem Diagramm ist ersichtlich, dass sich schon nach wenigen Zehntel Millimetern Hub eine weitgehend gleichbleibende Federkraft einstellt.
4 zeigt in Schnittdarstellung eine vorteilhafte Kalottenlagerung 7 des Polierwerkzeuges 5 in der Grundplatte 2. Mit dieser Kalottenlagerung 7 wird eine gleichmäßige Druckverteilung (vernachlässigbare Kippmomente) der zur Grundplatte 2 übertragenen Antriebskraft für den Polierdruck auf die Oberfläche zwischen dem Polierwerkzeug 5 und einem (ebenfalls aus Übersichtsgründen nicht dargestellten) Werkstück realisiert.
Zur weiteren Erhöhung der reproduzierbaren und federkraftvernachlässigbaren Genauigkeit des Polierdruckes wäre es möglich, einen oder mehrere an sich bekannte Wegsensoren (beispielsweise induktive Wegaufnehmer) vorzusehen (nicht dargestellt), mit welchen jeweils der Weg der Federverspannung der beiden Grundplatten 1 und 2 aktuell gemessen wird, um gegebenenfalls eine Präzisionskorrektur in der Zustellbewegung des Polierwerkzeuges 5 zur Einhaltung des optimalen Arbeitsbereiches durchführen zu können.

1, 2: Grundplatte
3: Zylinderführung
4: Gleichkraftfeder
5: Polierwerkzeug
6: Balgkupplung
7: Kalottenlagerung

Claims

Vorrichtung zur hochgenauen und reproduzierbaren Kraftaufbringung auf Werkzeuge, insbesondere für Präzisionswerkzeuge, wie zum Polieren von Werkstücken, enthaltend eine erste Grundplatte (1), welche kraft- bzw. formschlüssig, vorzugsweise über eine Kupplung, mit einem Antrieb zur Vorschubbewegung, beispielsweise einer Spindel, verbunden ist, sowie enthaltend eine zweite mit dem Werkzeug (5) in Verbindung stehende Grundplatte (2), wobei die beiden Grundplatten (1, 2) über mindestens eine an sich bekannte hochgenaue Führung, z. B. über mehrere Zylinderführungen (3), und gegen die Kraft von Gleichkraftfedern (4) gegeneinander bewegbar sind.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleichkraftfedern (4) zur Kompensation von radialen, tangentialen und kippenden Kräften jeweils paarweise angeordnet sind.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeug (5) zur Vermeidung von Kippmomenten bei der Kraftübertragung zur Vorschubbewegung in einer Kalottenlagerung (7) der zweiten Grundplatte (2) aufgenommen ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur weiteren Erhöhung der reproduzierbaren und federkraftvernachlässigbaren Genauigkeit der Kraftübertragung für die Zustellbewegung zumindest ein an sich bekannter Wegsensor, beispielsweise ein induktiver Wegaufnehmer, vorgesehen ist, mit welchem der Weg der Federverspannung der beiden Grundplatten (1, 2) für eine eventuelle Korrektur der Zustellung gemessen wird.