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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung von Mikrostrukturen,
mit einer um ihre Längsachse
rotierend antreibbaren Spindel, an der eine Aufnahme zum Einspannen
eines Werkstückes vorgesehen
ist, mit einem Aktor, der einen schnellen Antrieb zur Erzeugung
einer schnellen Bewegung eines Werkzeugs in einer zur Werkstückoberfläche im Wesentlichen
senkrechten Richtung aufweist, wobei der Aktor mittels eines weiteren
Antriebes zur Erzeugung eines linearen Vorschubes in einer ersten
Richtung entlang einer zu bearbeitenden Werkstückoberfläche positionierbar ist.
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Die
Erfindung betrifft ferner einen für eine derartige Vorrichtung
geeigneten Aktor.
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Die
Erfindung betrifft schließlich
ein Verfahren zum Erzeugen einer mikrostrukturierten Oberfläche auf
einem von einer Spindel rotierend angetriebenen Werkstück unter
Verwendung eines von einem Aktor angetriebenen Werkzeugs, das entlang
der Werkstückoberfläche mittels
eines Antriebs linear positionierbar ist und senkrecht dazu in Richtung
auf die Werkstückoberfläche mittels
des Aktors bewegbar ist.
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Eine
Vorrichtung und ein Verfahren gemäß der vorstehend genannten
Art sind aus der
EP
0 439 425 B1 bekannt.
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Die
bekannte Vorrichtung und das bekannte Verfahren werden zum Herstellen
von Kontaktlinsen durch ein Drehverfahren verwendet. Hiernach wird ein
Rohling für
eine zu bearbeitende Kontaktlinse an einer Spindel befestigt. Das
von der Spindel rotierend angetriebene Werkstück kann mittels eines Drehwerkzeuges
bearbeitet werden, das mittels eines piezoelektrischen Antriebs
positioniert wird. Die Drehmaschine besitzt einen säulenartigen
Drehsupport, der um eine Schwenkachse schwenkbar gelagert ist. An
dem Drehsupport ist eine Schlittenführung befestigt. An der Schlittenführung ist
ein Werkzeugschlitten linear und in radialer Richtung zur Schwenkachse des
Drehsupports bewegbar geführt.
Am Werkzeugschlitten ist ein Werkzeughalter für ein Drehwerkzeug vorzugsweise
in Form eines Drehdiamanten gelagert. Der Werkzeugschlitten kann
zur Grobeinstellung des Drehwerkzeugs um die Schwenkachse des Drehsupports
mit Hilfe eines Motorantriebs entlang der Schlittenführung bewegt
werden. Zur Feinpositionierung des Drehwerkzeuges ist ein piezoelektrischer Antrieb
vorgesehen, der aus zwei Piezotranslatoreinrichtungen bestehen kann.
Während
eine erste Piezotranslatoreinrichtung eine Bewegung in Richtung
der Schlittenführung
ermöglicht,
ist eine zweite Piezotranslatoreinrichtung für eine dazu senkrechte Bewegung
ausgebildet. Hierbei können
die Stellbewegungen der Piezotranslatoreinrichtungen in Abhängigkeit
vom Rotationswinkel der Spindel um die Spindelachse gesteuert werden.
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Auf
diese Weise ist eine hochpräzise
Oberflächenbearbeitung
von Linsen mittels eines Diamantdrehmeißels ermöglicht, wobei auch nicht rotationssymmetrische
Oberflächen
erzeugt werden können.
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Ähnliche
Vorrichtungen zur Erzeugung von nicht-rotationssymmetrischen Oberflächen durch eine
Drehbearbeitung mit Hilfe eines piezoelektrischen Antriebs sind
etwa aus der
US 5 467 675 oder aus
der
GB 2 314 452 A bekannt.
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Mit
den bekannten Vorrichtungen und den bekannten Verfahren können zwar
Feinstruktur-Oberflächenbearbeitungen
mit Hilfe von Diamantwerkzeugen durchgeführt werden, jedoch sind diese Vorrichtungen
und Verfahren aufgrund unzureichender dynamischer Eigenschaften
nicht geeignet, um sehr harte, metallische Werkstoffe präzise zu
bearbeiten. Derartige Werkstoffe werden beispielsweise als Formenwerkstoffe
für die
Herstellung von Linsen durch Heißpressen benötigt. Es
kann sich hierbei beispielsweise um Hartmetall-Werkstoffe handeln.
In derartige Formen müssen
beispielsweise zur Herstellung von Linsen für Beleuchtungszwecke, die in sogenannten
Poly-Ellipsoid-Scheinwerfern (PES-Scheinwerfern) eingesetzt werden, ganz
bestimmte Mikrostrukturen eingebracht werden, die bei der Formgebung
durch Heißpressen
auf die betreffenden Linsen übertragen
werden. Diese Mikro strukturen wirken bei den hergestellten Linsen
als mikrooptische Komponenten, um eine bestimmte vorgegebene Lichtverteilungscharakteristik
im Scheinwerfer einzuhalten.
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Die
Herstellung derartiger Formen, die etwa aus Hartmetall oder aus
Grauguss bestehen können, ist
in der beabsichtigten Form bislang nur mit geometrisch unbestimmten
Verfahren möglich.
Hierzu werden die betreffenden Formen zunächst in makroskopischer Form
der betreffenden Linsen durch Drehen bearbeitet. Anschließend erfolgt
ggf. ein Polieren der Formoberfläche.
Die Bereiche der Form, die zur Erzeugung von Streuzentren auf den
damit herzustellenden Linsen vorgesehen sind, werden anschließend beispielsweise
durch eine Strahlbehandlung mit Korund in mehreren Arbeitsgängen erzeugt,
wobei Abdeckblenden für
diejenigen Bereiche verwendet werden, die nicht in dieser Weise
mikrostrukturiert werden sollen. Nach der Strahlbearbeitung erfolgt
zum Teil noch eine flächige
Nachbehandlung. Zur Herstellung einer derartigen Form sind daher zahlreiche
manuelle Arbeitsschritte notwendig, was eine sehr zeitaufwändige und
teure Bearbeitung bedeutet, um die gewünschte Oberflächenstruktur
zu erzeugen. Zudem beinhaltet eine derartige Arbeitsfolge eine Vielzahl
von Fehlermöglichkeiten,
die eine reproduzierbare Einstellung einer speziellen Lichtverteilung
nachteilig beeinflussen.
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Die
eingangs erwähnten
vorbekannten Vorrichtungen mit Piezoantrieben sind für eine derartige Formgebung
nicht geeignet, da sie hierzu nicht die notwendige mechanische Stabilität und die
erforderlichen dynamischen Eigenschaften aufweisen, um bei der Bearbeitung
harter metallischer Werkstoffe mit den erforderlichen hohen Schnittgeschwindigkeiten
präzise
arbeiten zu können.
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Zwar
könnte
mit den bekannten Vorrichtungen ggf. lagegeregelt gearbeitet werden,
jedoch ist dies naturgemäß nur mit
einem ausreichenden Abstand bis zur ersten Resonanzfrequenz des
jeweiligen Systems möglich,
weshalb mit den bekannten Systemen ein Arbeiten bis maximal etwa
1.000 Hz ermöglicht
ist. Die hiermit erreichbaren Schnittgeschwindigkeiten reichen jedoch
nicht aus, um bei den vorstehend erwähnten Werkstoffen eine saubere
Bearbeitung mit ausreichender Oberflächengüte zu erzielen, insbesondere
wenn nicht-rotationssymmetrische Oberflächenstrukturen der vorstehend
erwähnten
Art hergestellt werden sollen.
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Der
Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und
ein Verfahren zur Erzeugung von Mikrostrukturen zu schaffen, womit auch
eine Bearbeitung von harten metallischen Werkstoffen, wie etwa Hartmetallen
und Grauguss, mit hohen Schnittgeschwindigkeiten ermöglicht wird und
gleichzeitig nicht-rotationssymmetrische Mikrostrukturen erreichbar
sind. Hierbei soll insbesondere die Herstellung von Formen für die Herstellung
von Linsen durch Heißpressen
ermöglicht
werden, die als Linsen für
PES-Scheinwerfer geeignet sind und mit Mikrostreulinsenstrukturen
versehen sind.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einer
Vorrichtung gemäß der eingangs
genannten Art dadurch gelöst,
dass der Aktor mit dem Werkzeug über
eine Führungseinrichtung
gekoppelt ist, die eine Zustellung des Werkzeugs in Axialrichtung
des schnellen Antriebs entgegen einer Rückstellkraft erlaubt und in
einer Ebene senkrecht dazu eine hohe Steifigkeit aufweist.
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Die
Aufgabe der Erfindung wird auf diese Weise vollkommen gelöst.
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Durch
eine derartige Kopplung eines schnellen Antriebs mit einer speziell
ausgestalteten Führungseinrichtung,
die in einer zur Bewegungsrichtung des schnellen Antriebs senkrechten
Ebene allseits eine hohe Steifigkeit aufweist, kann ein Aktorgeführtes System
zur Bewegung eines Drehwerkzeuges geschaffen werden, das eine ausreichend
hohe Resonanzfrequenz verbunden mit einer hohen dynamischen Steifigkeit
besitzt, um auch eine Bearbeitung von harten Werkstoffen, wie etwa
Hartmetallen oder Grauguss, mit einer ausreichend hohen Schnittgeschwindigkeit
zu ermöglichen.
Dabei werden Schwingungen vermieden, die sonst leicht bei der Bearbeitung
von harten Werkstoffen, wie etwa Grauguss, entstehen können und
die die Oberflächenqualität beeinträchtigen
würden.
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Bei
dem schnellen Antrieb handelt es sich vorzugsweise um einen Piezoantrieb.
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Daneben
sind auch andere Ausführungsform für den schnellen
Antrieb denkbar, wie etwa ein hydraulischer Antrieb. Unter einem
schnellen Antrieb im Sinne dieser Anmeldung wird ein Antrieb verstanden, der
eine schnelle gesteuerte Bewegung in Axialrichtung ausführen kann,
in einer dazu senkrechten Ebene jedoch keine gesteuerte Bewegung
ausführen kann
und nur sehr geringe Kräfte
aufnehmen kann. Unter „schnell" ist in diesem Zusammenhang
zu verstehen, das der Antrieb bei Ansteuerung mit einem geeigneten
Steuersignal eine Bewegung mit einer Frequenz von mindestens 500
Hz oder mehr ausführen
kann.
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In
bevorzugter Weiterbildung der Erfindung weist die Führungseinrichtung
in einer Ebene senkrecht zur Zustellrichtung der Führungseinrichtung eine
statische Steifigkeit von mindestens 50 N/μm, vorzugsweise von mindestens
100 N/μm,
auf.
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Mit
einer derartigen Vorrichtung können
insbesondere Formen zum Heißpressen
von Linsen für PES-Scheinwerfer
hergestellt werden, die an ihrer Oberfläche mit Mikrolinsenstrukturen
versehen sind bzw. „gefrostet" sind. Hiermit lassen
sich bei der Bearbeitung von Grauguss oder Hartmetallen Schnittgeschwindigkeiten
in der Größenordnung
von 60 Meter pro Minute und mehr erzielen. Dies reicht aus, um eine
saubere Bearbeitung der nicht-rotationssymmetrischen
Oberflächen
in einer annehmbaren Zeit zu gewährleisten.
Es können
hierbei konventionelle Schneidplatten-Einsätze
verwendet werden.
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In
vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung weist die Führungseinrichtung
einen Stößel auf,
der an ersten und zweiten Federelementen beweglich gehalten ist,
wobei die Federelemente in Radialrichtung des Stößels weitgehend unnachgiebig
sind, jedoch senkrecht dazu in Richtung der Stößelachse eine Auslenkung gegen
die Federkraft der Federelemente erlauben.
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In
vorteilhafter Weiterbildung dieser Ausführung sind hierzu die Federelemente
als Blattfedern ausgebildet, die an ihren beiden längsseitigen
Enden an Haltern eingespannt sind und quer dazu beweglich sind.
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In
zweckmäßiger Weiterbildung
dieser Ausführung
bestehen hierbei die Federelemente aus Fühlerlehrenbändern, die miteinander gekreuzt
in Radialrichtung zwischen dem Halter und dem Stößel eingespannt sind.
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Alternativ
hierzu ist eine Ausführung
als radialsymmetrische Federelemente, etwa in Form von Tellerfedern,
möglich,
wobei der Stößel im Zentrum angekoppelt
ist.
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Durch
einen derartigen Aufbau lässt
sich eine ausreichende Nachgiebigkeit der Führungseinrichtung in der Bewegungsrichtung
des schnellen Antriebes bei einer gleichzeitig hohen Steifigkeit
in einer Ebene senkrecht dazu erzielen.
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In
vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung ist das Werkzeug an einem
ersten Ende des Stößels eingespannt,
während
der Stößel an seinem
dem Werkzeug gegenüberliegenden
zweiten Ende gegen den schnellen Antrieb vorgespannt ist.
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Auf
diese Weise wird die notwendige Rückstellkraft gewährleistet,
gegen die der schnelle Antrieb wirkt.
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In
vorteilhafter Weiterbildung dieser Ausführung ist der Stößel durch
einen Fluiddruck gegen den schnellen Antrieb vorgespannt.
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Obwohl
die Vorspannung grundsätzlich
auch auf mechanische Weise, zum Beispiel durch Federn, erreicht
werden könnte,
wird durch diese Maßnahme die
Auswirkung des Schnittkraftrauschens reduziert.
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In
vorteilhafter Weiterbildung dieser Ausführung ist der Stößel in einem
Gehäuse
gehalten, wobei der Stößel mit
dem Gehäuse
einen druckdicht abgeschlossenen Raum bildet, der mit einem Fluiddruck
beaufschlagbar ist, wobei der Raum über eine erste mit dem Stößel verbundene
Membran auf der Piezoseite und eine zweite mit dem Stößel verbundene
Membran auf der Werkzeugseite in Axialrichtung nach außen hin
abgedichtet ist, und wobei die erste Membran eine größere dem
Fluiddruck ausgesetzte wirksame Fläche als die zweite Membran
aufweist.
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Die
Membranen bestehen in vorteilhafter Weiterbildung dieser Ausführung aus
Aluminium.
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Auf
diese Weise kann die Rückstellkraft
für den
Piezoantrieb auf einfache und zuverlässige Weise gewährleistet
werden und gleichzeitig eine Auswirkung des Schnittkraftrauschens
reduziert werden.
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In
vorteilhafter Weiterbildung dieser Ausführung weist das Gehäuse mindestens
ein aus einem Sintermaterial, vorzugsweise einem Sintermetall, bestehendes
Dämpfungselement
auf. Das Dämpfungselement
weist hierbei vorzugsweise einen Anteil einer offen Porosität auf.
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Durch
diese Maßnahmen
können
die Auswirkungen des Schnittkraftrauschens noch weiter reduziert
werden.
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In
vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung ist der Piezoantrieb an
seinem dem Stößel abgewandten
ersten Ende an einer Aufnahme einspannt und ist an seinem dem ersten
Ende gegenüberliegenden
zweiten Ende über
ein Ausgleichselement, das Ausrichtungsfehler zwischen der Stößelachse und
der Längsachse
des Piezoantriebs kompensiert, mit dem Stößel gekoppelt.
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Hierbei
kann das zweite Ende des Piezoantriebs etwa über ein konvexes Element, insbesondere
eine Kugel oder ein balliges Element, an einer zugeordneten Zentrierung
des Stößels anliegen.
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Auf
diese Weise wird die Einbringung statischer und dynamischer Querkräfte in radialer
Richtung, die etwa durch Ausrichtungsfehler zwischen dem Piezoantrieb
und dem Stößel sowie
durch Schnittkraftrauschen entstehen können, weitgehend ausgeschaltet.
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Gemäß einer
alternativen Ausführung
der Erfindung ist der Piezoantrieb an seinem zweiten Ende durch
eine Deckplatte abgeschlossen, die über eine Einschnürung mit
dem Stößel gekoppelt
ist.
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Auf
diese Weise lässt
sich die Masse des Gesamtsystems noch weiter verringern und es kann gegebenenfalls
eine Fügungsstelle
eingespart werden, was vorteilhaft für die Dynamik des Gesamtsystems
ist.
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Gemäß einer
weiteren Ausgestaltung der Erfindung erlaubt der Antrieb einen Vorschub
in einer Richtung senkrecht zur Spindelachse, während der Aktor eine Bewegung
des Werkzeugs in Richtung der Spindelachse erlaubt.
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Bei
dieser Ausführung
erfolgt die Drehbearbeitung nach der Art des Plandrehens, während das Werkzeug
mittels des Piezoantriebs weitgehend in Richtung der Spindelachse,
also in z-Richtung, zugestellt wird.
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Ein
derartiger Aufbau ist beispielsweise zur Mikrostrukturierung von
Formen für
die Herstellung von Linsen für
PES-Scheinwerfer
geeignet.
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Gemäß einer
weiteren Ausführung
der Erfindung erlaubt der Antrieb einen Vorschub in einer zur Spindelachse
parallelen Richtung, während
der Aktor eine Bewegung des Werkzeugs senkrecht dazu erlaubt.
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Mit
einer derartigen Anordnung kann eine Oberflächenbearbeitung des Werkstücks durch
Mikrostrukturierung an der Außenoberfläche in Längsrichtung
erfolgen. Hierbei wird also nach der Art des Längsdrehens gearbeitet, wobei
der Aktor eine Zustellung des Werkzeugs in einer zur Spindelachse senkrecht
stehenden Ebene erlaubt, also beispielsweise in x-Richtung.
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Eine
derartige Anordnung ist beispielsweise zur Mikrostrukturierung von
tribologisch beanspruchten Flächen,
wie etwa Lageroberflächen
an ihrer Außenseite
geeignet, um etwa die Fettaufnahme zu verbessern und so deutlich
verbesserte Schmier- und Notlaufeigenschaften zu erzielen.
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In
zweckmäßiger Weiterbildung
der Erfindung ist eine elektronische Steuerung zur Steuerung der
Bewegung des Aktors vorgesehen, die die Bewegung des Aktors in Abhängigkeit
von der Winkelposition des Werkstücks und der Lage des Aktors
entlang der ersten Richtung relativ zum Werkstück steuert.
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Auf
diese Weise können
nicht-rotationssymmetrische Oberflächenstrukturen mit Hilfe der
piezogesteuerten Zustellbewegung des Werkzeugs erzielt werden.
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Gemäß einer
weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist die Steuerung ein Mittel
zur Transformation einer in kartesischen Koordinaten gegebenen zu
erzeugenden Soll-Mikrostruktur des Werkstücks in eine koordinatentransformierte
Struktur in Polarkoordinaten auf, in der die Stellwerte in Abhängigkeit
von Polarkoordinaten gespeichert sind, die den Drehwinkel und den
Radius enthalten.
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Mit
einer derartigen Koordinatentransformation kann der jeweilige Stellwert
für den
Aktor für
den Fall des Plandrehens ermittelt werden.
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Die
koordinatentransformierte Struktur wird hierbei vorzugsweise in
einer Look-Up-Tabelle (LUT) gespeichert, aus der die elektronische
Steuerung ein Stellsignal ableitet, das einem Verstärker zur
Ansteuerung des Aktors zugeführt
wird.
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In
bevorzugter Weiterbildung dieser Ausführung weist die elektronische
Steuerung Mittel zur Interpolation des dem Verstärker zugeführten Stellsignals in Abhängigkeit
von Lageinkrementen des Linearvorschubes in der ersten Richtung
auf.
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Während in
der Arbeitsrichtung des Piezoantriebs die Trägheit des mechanischen Systems
eine Interpolation überflüssig macht
und hierdurch automatisch eine gewisse Glättung erfolgt, ist eine Interpolation
der dem Verstärker
zugeführten
Stellsignale in Abhängigkeit
von Lageinkrementen des Linearvorschubes sinnvoll. So wird bei der
Abbildung benachbarter Pixel der Mikrostruktur eine durch die lineare Stellbewegung
in Radialrichtung verursachte Bildung von Riefen nach der Art von
Drehriefen vermieden.
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In
weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung weist der Aktor
eine erste Resonanzfrequenz von mindestens 1.500 Hz, vorzugsweise
von mindestens 2.000 Hz, besonders bevorzugt von mindestens 3.000
Hz, auf, wobei die Steuereinrichtung dazu ausgebildet ist, dem Aktor
ein tiefpassgefiltertes oder bandpassgefiltertes Signal zuzuführen, dessen obere
Grenzfrequenz unterhalb der Resonanzfrequenz des Aktors liegt.
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Mit
dieser Ausführung
wird es ermöglicht, ohne
eine Lageregelung des Aktors mit einer hohen Schnittgeschwindigkeit
zu arbeiten, die derart gewählt
ist, dass die Grenzfrequenz der zu erzeugenden Soll-Mikrostruktur
kurz unterhalb der Resonanzfrequenz des Aktors liegt. Auf diese
Weise kann mit einem offenen System ohne Lageregelung mit maximaler
Schnittgeschwindigkeit gearbeitet werden, bei der noch ein ausreichender
Abstand zur Resonanzfrequenz des Aktors gewahrt ist.
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Die
Aufgabe der Erfindung wird ferner durch einen Aktor zur Bewegung
eines Werkzeugs an einer Drehmaschine zur Erzeugung einer mikrostrukturierten
Oberfläche
mittels eines Piezoantriebs gelöst, wobei
der Piezoantrieb mit dem Werkzeug über eine Führungseinrichtung gekoppelt
ist, die eine Zustellung des Werkzeugs in Axialrichtung des Piezoantriebs
entgegen einer Rückstellkraft
erlaubt und in einer Ebene senkrecht dazu eine hohe Steifigkeit
aufweist.
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Hinsichtlich
des Verfahrens wird die Aufgabe der Erfindung durch ein Verfahren
zur Erzeugung einer mikrostrukturierten Oberfläche auf einem von einer Spindel
rotierend angetriebenen Werkstück
unter Verwendung eines von einem Aktor angetriebenen Werkzeugs gelöst, das
in Richtung auf die Werkstückoberfläche mittels
des Aktors bewegbar ist und senkrecht dazu entlang der Werkstückoberfläche mittels
eines weiteren Antriebs linear positionierbar ist, mit folgenden
Schritten:
- (a) Bereitstellen einer Soll-Mikrostruktur
für ein
zu bearbeitendes Werkstück,
- (b) Transformieren der Soll-Mikrostruktur in eine Datei (Look-Up-Tabelle, LUT),
die in Abhängigkeit vom
Drehwinkel des Werkstücks
und vom linearen Vorschubweg des Werkzeugs entlang der Werkstückoberfläche Stellpositionen
in einer dazu senkrechten Arbeitsrichtung zur piezogesteuerten Stellbewegung
des Werkzeugs enthält,
- (c) Erstellen einer Ortsfrequenzanalyse der Soll-Mikrostruktur
und Bestimmen einer maximalen Grenzfrequenz des Signals für die Stellposition
in Abhängigkeit
vom Drehwinkel, vom linearen Vorschub des Aktors entlang der Werkstückoberfläche und
von der Schnittgeschwindigkeit,
- (d) Einstellen der Schnittgeschwindigkeit zur Drehbearbeitung
des Werkstücks
derart, dass die maximale Grenzfrequenz der Soll-Mikrostruktur unterhalb
der ersten Resonanzfrequenz des Aktors liegt,
- (e) Antreiben der Spindel und eines Antriebs zur linearen Positionierung
des Aktors entlang der Werkstückoberfläche und
Mikrostrukturieren des Werkstücks
durch Zustellen des Werkzeugs gegen die Werkstückoberfläche mittels des Aktors gemäß der aus
der Look-Up-Tabelle abgeleiteten Stellwerte in Abhängigkeit
von der Schnittgeschwindigkeit, vom Dreh winkel und vom Vorschubweg
des Aktors entlang der Werkstückoberfläche.
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Mit
dem erfindungsgemäßen Verfahren
wird auf diese Weise sichergestellt, dass mit einer möglichst
hohen Schnittgeschwindigkeit bei der Mikrostrukturierung des Werkstücks gearbeitet
werden kann und der Aktor noch unterhalb seiner Resonanzfrequenz
betrieben wird. Auf diese Weise kann das System bis zur maximalen
Schnittgeschwindigkeit ausgenutzt werden, die durch die Resonanzfrequenz des
Aktors vorgegeben ist, ohne dass hierzu eine Lageregelung notwendig
ist.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
eignet sich grundsätzlich
auch zur Benutzung mit herkömmlichen
Vorrichtungen zur Mikrostrukturierung von Werkstücken durch Drehbearbeitung
mittels Aktorgesteuerter Werkzeuge. Vorzugsweise wird das erfindungsgemäße Verfahren
jedoch in Verbindung mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung verwendet.
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In
vorteilhafter Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Signal
für die
Zustellung des Aktors tiefpassgefiltert oder bandpassgefiltert,
falls die gemäß Schritt
(d) einstellbare Schnittgeschwindigkeit nicht ausreichend ist.
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Falls
die Ortsfrequenzanalyse der zu erzeugenden Soll-Mikrostruktur ergibt, dass hierin sehr hohe
Frequenzen enthalten sind, wie sie etwa bei scharfen Kantenübergängen auftreten,
so wäre
normalerweise die zu wählende
Schnittgeschwindigkeit deutlich erniedrigt, um einen ausreichenden
Abstand zur Resonanzfrequenz des Systems einzuhalten. In diesem
Fall wird gemäß der vorstehend
genannten Maßnahme
gewährleistet,
dass auch bei einer derartigen Soll-Mikrostruktur mit einer hohen
Schnittgeschwindigkeit gearbeitet werden kann. Durch die vorherige
Filterung des Signals wird gewissermaßen die Soll-Mikrostruktur
geglättet,
um zu gewährleisten, dass
mit einer ausreichend hohen Schnittgeschwindigkeit gearbeitet werden
kann, um beispielsweise harte Werkstoffe, wie etwa Grauguss oder
Hartmetall, bearbeiten zu können.
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Gemäß einer
weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird die Soll-Mikrostruktur des
Werkstücks mittels
eines Algorithmus derart erzeugt, dass sich bei der Ortsfrequenzanalyse
ein tiefpassbegrenztes weißes
Rauschen ergibt.
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Hierbei
kann die Soll-Mikrostruktur des Werkstücks durch ein mittels eines
Zufallsgenerators erzeugtes Punktmuster, gefaltet mit Tiefpassfilter, vorzugsweise
mit einem binomealen Filter, erzeugt werden.
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Bei
dieser Ausgestaltung der Mikrostruktur kann bereits bei der Erzeugung
der Soll-Mikrostruktur gewährleistet
werden, dass sich ein tiefpassgefiltertes Signal ergibt, das besonders
geeignet ist, um kurz unterhalb der Resonanzfrequenz des Aktors
arbeiten zu können.
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Alternativ
kann eine solche Soll-Mikrostruktur erzeugt werden, indem ein zufällig generiertes Punktmuster
erzeugt wird, das in einen Frequenzraum transformiert wird, tief
passgefiltert wird und danach in den Ortsraum zurücktransformiert
wird.
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Eine
derartige Soll-Mikrostruktur ist besonders für die Herstellung einer Form
zur Herstellung einer Linse für
einen PES- Scheinwerfer
durch Heißpressen
geeignet, bei der an der Oberfläche
der Linse eine Streu-Mikrolinsenstruktur ausgebildet werden soll.
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Nach
dem erfindungsgemäßen Verfahren kann
der Aktor vorteilhaft in Richtung der Spindelachse zugestellt werden
und mittels des ersten Antriebs in einer dazu senkrechten Richtung
positioniert werden.
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Hiermit
wird eine Bearbeitung nach der Art des Plandrehens ermöglicht.
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Alternativ
hierzu kann der Aktor auch mittels des ersten Antriebs parallel
zur Spindelachse in z-Richtung positioniert werden und der Aktor
senkrecht dazu gegen die Werkstückoberfläche zugestellt werden.
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Bei
dieser Ausführung
wird eine Mikrostrukturierung des Werkstücks nach der Art des Längsdrehens
ermöglicht.
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Wie
vorstehend bereits erwähnt,
eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren
insbesondere zur Mikrostrukturierung eines optischen Elementes,
insbesondere einer Mikrolinsenstruktur oder einer diffraktiven Struktur,
oder zur Herstellung einer Pressform für ein solches optisches Element.
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Daneben
ist das erfindungsgemäße Verfahren
für zahlreiche
andere Mikrostrukturierungszwecke von Werkstückoberflächen geeignet. Hierzu gehören unter
anderem die Mikrostrukturierung einer tribologisch beanspruchten
Fläche,
insbesondere für ein
Gleitlager.
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Es
versteht sich, dass die vorstehend erwähnten und die nachstehend noch
zu erläuternden Merkmale
der Erfindung nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination,
sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind,
ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme
auf die Zeichnung. Es zeigen:
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1 eine
erfindungsgemäße Vorrichtung
in stark vereinfachter, schematischer Darstellung;
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2 einen
Längsschnitt
durch einen erfindungsgemäßen Aktor
gemäß 1;
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2a einen
Ausschnitt einer gegenüber 2 abgewandelten
Ausführung
des erfindungsgemäßen Aktors
im Bereich der Verbindung zwischen Aktor und Stößel;
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3 eine
perspektivische Ansicht des Aktors gemäß 2;
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4 den
Frequenzgang und den Phasengang des Aktors mit Werkzeug gemäß der 2 und 3;
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5 eine
Ausschnittsvergrößerung einer herzustellenden
Soll-Mikrolinsenstruktur für
die Formherstellung zur Herstellung einer Linse für einen PES-Scheinwerfer;
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6 eine
Wiedergabe der Soll-Mikrostruktur gemäß 5 als Pixelbild;
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7 eine
Ortsfrequenzanalyse der Soll-Mikrostruktur gemäß 6 entlang
des Außenumfangs bei
einem Radius von R = 34 mm;
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8 ein
Prinzipschaltbild mit der Steuerung für den Aktor; und
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9 eine
schematische Darstellung des Algorithmus zur Ansteuerung des Aktors.
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In 1 ist
eine erfindungsgemäße Vorrichtung äußerst schematisch
dargestellt und insgesamt mit der Ziffer 10 bezeichnet.
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Bei
der erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 handelt
es sich um eine Drehmaschine, die zusätzlich mit einem Aktor 30 ausgestattet
ist, um eine schnelle, piezogesteuerte Bewegung eines Werkzeugs 32 im
Bezug auf ein Werkstück 16 zu
ermöglichen.
Die Vorrichtung 10 weist eine Spindel 12 auf, die
um ihre Spindelachse 25 rotierend antreibbar ist, wie durch
einen Pfeil 28 verdeutlicht ist. An der Spindel 12 ist
eine Aufnahme 14 in Form eines Spannfutters zum Spannen
eines Werkstücks 16 vorgesehen.
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Auf
einem Maschinenbett 13 der Vorrichtung 10 ist
ein Antrieb 20 entlang einer sich in z-Richtung (parallel
zur Spindelachse 25) erstreckenden Führung vorgesehen, mittels derer
ein Werkzeugschlitten 18 in z-Richtung verfahren werden
kann, wie durch den Doppelpfeil 26 angedeutet ist. Am Werkzeugschlitten 18 ist ein
Antrieb 22 vorgesehen, mittels dessen ein Schlitten 24 in
Vertikalrichtung (y-Richtung) verfahren werden kann, wie durch den
Doppelpfeil 27 angedeutet ist. Am Schlitten 24 ist
schließlich ein
weiterer Antrieb vorgesehen, der ein Verfahren in Horizontalrichtung
(x-Richtung quer zur Spindelachse 25) ermöglicht.
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Am
Schlitten 24 ist schließlich der Aktor 30 aufgenommen,
mittels dessen das Werkzeug 32 zusätzlich in z-Richtung verfahrbar
ist, wie durch den Doppelpfeil 34 angedeutet ist.
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Zur
Steuerung der Drehmaschine und des Aktors ist eine zentrale Steuerung
vorgesehen, die schematisch mit der Ziffer 17 angedeutet
ist. Die Winkelstellung der Spindel 12 kann mittels eines
Drehgebers 31 überwacht
werden.
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Die
Vorrichtung 10 kann nun zur Mikrostrukturierung der Oberfläche eines
Werkstücks 16 derart benutzt
werden, dass das Werkstück 16 mittels
der Spindel 12 um die Spindelachse 25 rotierend
angetrieben wird, während
der Aktor 30 mittels des Schlittens 24 in x-Richtung
positioniert wird und das Werkzeug 32 mittels des Aktors 30 in
Abhängigkeit
von der über
den Drehgeber 31 erfassten Winkelposition des Werkstückes 16 und
von der Ortskoordinate des Aktors 30 in x-Richtung auf
die Werkstückoberfläche zugestellt
wird. Auf diese Weise kann eine Mikrostrukturierung der Werkstückoberfläche erreicht
werden, wobei nicht-rotationssymmetrische Oberflächenstrukturen mit hoher Präzision erzeugt
werden können.
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Mit
dem anhand von 1 beschriebenen Aufbau lässt sich
eine Bearbeitung von Werkstücken nach
der Art des Plandrehens errei chen, das heißt das Werkstück wird
rotierend angetrieben und das Werkzeug 32 wird quer zur
Spindelachse vorwiegend in Horizontalrichtung (x-Richtung) bzw.
radial zum Werkstück 16 bewegt,
während
die schnelle Zustellbewegung des Aktors 30 in z-Richtung, also in
Richtung der Spindelachse 25, erfolgt. Zusätzlich sind
natürlich
Bewegungen in anderen Richtungen möglich, beispielsweise in z-Richtung
zum Drehen von Konturen.
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Es
versteht sich, dass auch eine Werkstückbearbeitung nach der Art
des Längsdrehens
möglich ist.
Hierzu erfolgt die Positionierbewegung für den Aktor 30 mittels
des Antriebs 20 in z-Richtung,
während
der Aktor 30 eine Zustellbewegung in einer dazu senkrechten
Ebene (x-/y-Ebene) ermöglicht.
Zweckmäßigerweise
ist hierzu der Aktor derart an dem Schlitten 24 positioniert,
dass die Piezoachse in x-Richtung (oder ggf. in y-Richtung) ausgerichtet
ist. Mit einer derartigen Anordnung könnte also eine Mikrostrukturierung
eines Werkstücks
an der Außenoberfläche (oder
ggf. an der Innenoberfläche)
nach der Art des Außenrunddrehens
bzw. Innenrunddrehens durchgeführt
werden.
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Der
besondere Aufbau des Aktors, der gegen eine Rückstellkraft in Richtung der
Piezoachse sehr schnell bewegbar ist, jedoch in einer zur Piezoachse
senkrechten Ebene eine hohe Steifigkeit besitzt, wird im Folgenden
anhand der 2 und 3 näher beschrieben.
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Der
in den 2 und 3 dargestellte insgesamt mit
der Ziffer 30 bezeichnete Aktor besteht im Wesentlichen
aus einem Piezoantrieb 36, der an einem Gehäuse aufgenommen
ist und der über
eine Führungseinrichtung 38 auf
ein Werkzeug 32 wirkt. Der Piezoantrieb 36 ermöglicht lediglich
eine Bewegung in Axial richtung des Piezoantriebs, kann jedoch in
einer Ebene senkrecht dazu keine Stellkräfte erzeugen. Mittels der Führungseinrichtung 38 wird
nun gewährleistet,
dass Stellbewegungen des Piezoantriebs 36 in seiner Axialrichtung
unmittelbar auf das Werkzeug 32 übertragen werden können, dass
der gesamte Aktor 30 jedoch in einer Ebene senkrecht zur
Piezoachse eine hohe Steifigkeit aufweist.
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Hierzu
weist die Führungseinrichtung 38 einen
Stößel 40 auf,
dessen Stößelachse 41 möglichst genau
mit der Längsachse 37 des
Piezoantriebs 36 ausgerichtet ist. Der Stößel 40 ist
gegen die Kraft von ersten Federelementen 44 und zweiten
Federelementen 48 in Richtung seiner Stößelachse 41 in Axialrichtung
bewegbar, ist jedoch durch die spezielle Ausgestaltung und Einspannung
der Federelemente 44, 48 in einer Ebene senkrecht
zur Stößelachse 41 praktisch
unnachgiebig aufgehängt.
Bei den Federelementen 44 bzw. 48 handelt es sich
um Blattfedern aus breitem Federstahl geringer Stärke, wie
er etwa als Fühlerlehrenband
bekannt ist. Diese Blattfedern sind an ihren äußeren Enden an Haltern fest
eingespannt, während
der Stößel 40 in
ihrer Mitte befestigt ist. Die ersten Federelemente 44 sind
zwischen ringförmigen
Haltern 45, 46 eingespannt, während die zweiten Federelemente 48 zwischen
ringförmigen Haltern 49, 50 eingespannt
sind.
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Insgesamt
ergibt sich auf diese Weise eine mögliche Axialauslenkung des
Stößels in
der Größenordnung
von etwa 0,5 mm, während
der Stößel 40 mit
einer sehr hohen Steifigkeit in einer Ebene senkrecht dazu gehalten
ist (statische Steifigkeit größer 100
N/μm). Die
notwendige Rückstellkraft
auf den Piezoantrieb 36 wird im dargestellten Fall nicht mechanisch
sondern pneuma tisch erzeugt. Hierzu ist der Stößel 40 innerhalb eines
Gehäuses 64 derart aufgehängt, dass
ein nach außen
luftdicht abgeschlossener Hohlraum 72 erreicht wird, der über einen
Druckluftanschluss 74 mit Druckluft beaufschlagt werden
kann. Der Hohlraum 72 ist in Axialrichtung durch eine erste
Membran 68 an seinem dem Piezoantrieb 36 zugewandten
Ende und durch eine zweite Membran 70 am werkzeugseitigen
Ende abgedichtet. Hierbei ist der nach außen (zur Umgebungsluft) hin
wirksame Membrandurchmesser bei der ersten Membran 68,
die dem Piezoantrieb 36 zugewandt ist, deutlich größer als
der Membrandurchmesser 70 auf der gegenüberliegenden Seite. Somit ergibt
sich eine Druckdifferenz, durch die der mit den beiden Membranen 68, 70 im
Zentrum verbundene Stößel 40 in Richtung
auf den Piezoantrieb 36 vorgespannt wird. Die Vorspannkraft,
die naturgemäß größer als
die vom Piezoantrieb 36 erzeugten Beschleunigungskräfte sein
sollte, kann durch die Wahl der Flächenverhältnisse der Membranen 68, 70 und
durch den angewendeten Druck eingestellt werden.
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Die
Membranen 68, 70 bestehen vorzugsweise aus relativ
starren Aluminiumelementen und liegen an ihrem Außenumfang
jeweils an einer dünnen
Gegenmembran 69 bzw. 71 an, die sich durch den Überdruck
im Hohlraum 72 gegen die Membran 68 bzw. 70 anpresst.
Ferner ist am axialen Ende des Hohlraums 72, das dem Piezoantrieb
zugewandt ist, mit einem sehr geringen Abstand zur Gegenmembran 69 eine
sich weitgehend über
den gesamten Querschnitt des Hohlraums 72 erstreckende
Sintermetallplatte 66 gehalten. Die Sintermetallplatte 66 besteht
etwa aus Sinterstahl und weist einen gewissen Anteil einer offenen
Porosität
auf.
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Auf
diese Weise ist die Sintermetallplatte 36 luftdurchlässig, um
den im Hohlraum 72 herrschenden Innendruck auf die Membran 68 übertragen
zu können,
führt jedoch
infolge der dünnen
Kanäle,
die durch die offene Porosität
gebildet sind, zu einer merklichen Dämpfung, wodurch die Auswirkungen des
Schnittkraftrauschens im Betrieb des Aktors deutlich reduziert werden
können.
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Das
Werkzeug 32 selbst kann etwa als Schneidplatte ausgebildet
sein, die an einem Werkzeughalter 42 befestigt ist, der
(mittels einer nicht dargestellten Schraube) am äußeren axialen Ende des Stößels 40 befestigt
ist, wobei gleichzeitig die Befestigung an den zweiten Federelementen 48 in Form
der gekreuzten Blattfedern erfolgt. Das gegenüberliegende Ende des Stößels 40 ist
mit den beiden ersten sich kreuzenden Federelementen 44 fest
verbunden. Hierzu dient eine Schraube 80, die sich durch
entsprechende zentrale Ausnehmungen der beiden sich kreuzenden Federelemente 44 hindurch unter
Zwischenlage eines Abstandshalters 76 und eines Zwischenstückes 78 in
das Ende des Stößels 40 hinein
erstreckt und damit verschraubt ist.
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Der
Piezoantrieb 36 ist an seinem dem Stößel 40 abgewandten
Ende über
eine Piezoaufnahme 62 mit einem Endstück 60 starr verschraubt.
An seinem dem Stößel 40 zugewandten
Ende liegt der Piezoantrieb 36 über eine Kugel 82 über eine
Zentrierung 86 an der Schraube 80 an. Auf diese
Weise werden etwaige Radialkräfte
auf den Piezoantrieb 36 vermieden, die aus einem Ausrichtungsfehler
zwischen der Längsachse 37 des
Piezoantrieb 36 und der Stößelachse 41 bedingt
sein könnten.
Somit ist gewährleistet,
dass der Piezoantrieb 36 lediglich in Richtung seiner Längsachse 37 beansprucht
wird.
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Die
aus dem Piezoantrieb 36 und seiner Aufhängung mit Endstück 60 gebildete
Einheit ist über Gewindebolzen 52 unter
Zwischenlage von Abstandshülsen 54 unmittelbar
durch die Halter 45, 46 hindurch verschraubt.
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Insgesamt
ergibt sich auf diese Weise ein kompakter Aktor 30, bei
dem der Piezoantrieb 36 gegen eine pneumatische Rückstellkraft
in Axialrichtung bewegbar ist und in einer Ebene senkrecht dazu eine
hohe Steifigkeit aufweist.
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Auf
die Beschreibung zusätzlicher
Maßnahmen,
wie etwa auf einen kompletten Spritzschutz zum Schutz des Piezoantriebs 36 gegen
Schneidöl während der
Drehbearbeitung, wird hier verzichtet, da diese dem Fachmann geläufig sind.
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Eine
Abwandlung der Verbindung zwischen Piezoantrieb 36 und
Stößel 40 ist
aus 2a zu ersehen. Auch hierbei ist zwischen dem Piezoantrieb 36 und
dem Stößel 40 ein
Ausgleichselement 43 vorgesehen, das Ausrichtungsfehler
zwischen der Längsachse 37 des
Piezoantriebs 36 und der Stößelachse 41 kompensiert.
Hierbei ist jedoch das Ausgleichselement 43 als Einschnürung 47 ausgebildet, die
direkt mit einer Endplatte 39 des Piezoantriebs 36 und
mit dem Stößel 40 gekoppelt
ist und so eine direkte, jedoch seitlich nachgiebige Verbindung
zwischen Piezoantrieb 36 und Stößel 40 herstellt.
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In 3 ist
zusätzlich
noch ein seitlicher Tragarm 84 erkennbar, mittels dessen
der Aktor 30 befestigt werden kann, etwa an dem Schlitten 24.
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In 4 ist
nun der gemessene Frequenzgang und Arbeitsbereich des Aktors gemäß der 2 und 3 dargestellt.
Im vorliegenden Fall wurde als Piezoantrieb 36 ein Piezokristall
von 40 μm Maximalzustellung
verwendet. Der Piezoantrieb 36 wurde mit einer Amplitude
von 1 V in einem Frequenzbereich von 0 bis 4000 Hz angeregt. Der
Weg in Abhängigkeit
von der Anregungsspannung ist in dem oberen Diagramm von 4 dargestellt.
Das unmittelbar am Werkzeug 32 aufgenommene Vibrometer-Wegsignal zeigt einen
sehr konstanten Amplitudengang von ca. 2,5 μm/V von 0 bis ca. 2250 Hz. Die
erste Resonanzfrequenz liegt bei ca. 2400 Hz.
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Im
unteren Teil des Diagramms von 4 ist der
Phasengang in Abhängigkeit
von der Frequenz dargestellt. Es ergibt sich ein sehr linearer Phasengang
von 0 bis 2250 Hz.
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Der
erfindungsgemäße Aktor
ist somit aufgrund seiner sehr guten dynamischen Eigenschaften besonders
zur Mikrostrukturierung von Oberflächen geeignet, insbesondere
zur spanenden Bearbeitung von harten Werkstoffen, die mit hohen
Schnittgeschwindigkeiten bearbeitet werden müssen. Es lassen sich beispielsweise
bei einer Strukturamplitude von 5 μm Zustellfrequenzen bis zu etwa
2,25 kHz, realisieren. Bei höheren
Zustellamplituden bzw. sehr hohem Materialabtrag ist die maximale
Zustellfrequenz etwas geringer. Eine weitere Verbesserung der Dynamik
durch Verwendung einer konventionellen Closed-Loop-Regelung (anstelle
der verwendeten Open-Loop-Regelung) scheint nicht nötig und wäre auch
aufgrund des gemessenen Phasengangs nicht bis knapp unterhalb der
Resonanzfrequenz möglich.
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Der
maximale Stellweg des verwendeten Aktors 30 beträgt etwa
40 μm, womit
die Resonanzfrequenz bei etwa 2400 Hz liegt. Für viele Anwendungsfälle wäre jedoch
auch ein Piezoantrieb mit einem maximalen Stellweg von 20 μm ausreichend.
Hiermit ergäbe
sich eine Erhöhung
der niedrigsten Resonanzfrequenz auf ca. 3,5 kHz.
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Die
Auswahl richtiger Bearbeitungsbedingungen für die Erzeugung einer Mikrolinsenstruktur wird
nun anhand der 5 bis 7 näher erläutert.
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Der
Aktor 30, der zuvor anhand der 2 bis 4 näher beschrieben
wurde, wurde in Verbindung mit einer Drehmaschine des Typs Index
aus dem Jahr 1978 eingesetzt, die eine hochpräzise Spindel mit einem Rundlauffehler
in der Größenordnung
von 0,4 μm
aufwies.
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Die
Vorrichtung wurde zur Herstellung einer Form für das Heißpressen von Linsen für PES-Scheinwerfer
verwendet. Zur Einhaltung bestimmter Lichtverteilungseigenschaften
muss hierbei die betreffende Linse in ausgewählten Oberflächenbereichen
mit einer Mikrostrukturierung in Form von Mikrolinsen versehen sein.
Durch eine derartige mikrostrukturierte oder „gefrostete" Linse werden besondere
Lichtverteilungseigenschaften bei Verwendung in dem betreffenden
Poly-Ellipsoid-Scheinwerfer erreicht. Die in der Form vorgegebene
mikrostrukturierte Oberfläche
wird bei der Herstellung der Linse durch Heißpressen auf die Linsenüberfläche übertragen.
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In 5 ist
nun eine Ausschnittsvergrößerung einer
solchen Mikrolinsenstruktur dargestellt. Auf der vertikalen Achse
ist hierbei der Grauwert von hmin mit 0
und hmax mit 255 dargestellt, was einer Strukturtiefe
von 0 bis etwa 10 μm
entspricht.
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Eine
derartige Struktur lässt
sich auch durch ein zufällig
generiertes Punktmuster gefaltet mit einem binomealen Filter erzeugen.
Zur Erzeugung einer solchen Struktur, die in 6 dargestellt
ist, können
zum Beispiel in einem Bild der Größe 801 Pixel mal 801 Pixel
mit einem Zufallsgenerator einzelne Pixel adressiert werden. Falls
in einem Ortsabstand von n Pixeln zuvor kein Punkt adressiert wurde
(das heißt
alle Grauwerte der Nachbarpixel in diesem Umkreis sind 0), dann
wird der Grauwert an dem adressierten Pixel zu 1 gesetzt. Der Zufallsgenerator
läuft so
etliche hunderttausendmal durch. Es entsteht hierdurch ein Bild
mit zufällig
angeordneten Punkten des Grauwertes 1, wobei jeweils zwei benachbarte Punkte
diesen einen Grenzabstand nicht unterschreiten. Dieses Bild wird
dann mit dem Binomealfilter zweidimensional gefaltet, eventuell
mehrmals. Bildlich gesprochen wird der Binomealfilter im Mittelpunkt jeweils über die
Einzelpunkte mit dem Grauwert 1 „übergestülpt". Hierdurch entsteht ein Bild mit den
zufällig
angeordneten „Bergen" und „Tälern", das sehr gut die
Form einer Mikrolinsenstruktur gemäß 5 simuliert.
Da ein derartiger Binomealfilter Tiefpasseigenschaften hat, hat
das Gesamtbild auch Tiefpasseigenschaften. Dies kommt der Herstellung
durch den verwendeten Aktor 30 sehr entgegen.
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Im
dargestellten Fall soll die in 5 bzw. 6 gezeigte
Mikrostruktur nun mittels des Aktors 30 im Plandrehverfahren
in die Oberfläche
der Form eingebracht werden. Es versteht sich, dass in diesem Fall
eine Umsetzung der in kartesischen Koordinaten gegebenen Soll-Mikrostruktur
in ein Polar- Koordinatensystem
notwendig ist. Diese in Polarkoordinaten umgesetzte Struktur kann
beispielsweise in Form einer Look-Up-Tabelle (LUT) gespeichert werden. Sie gibt
den Stellwert G(c,n) für
den Aktor in Abhängigkeit
vom Drehwinkel (c) und von der Position (n) des Aktors in Radialrichtung
an.
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In 7 ist
nun eine Ortsfrequenzanalyse dargestellt, die an einer Struktur
gemäß 6 erstellt wurde.
Hierbei wird die Ortsfrequenz am Außenumfang der zu untersuchenden
Struktur (im dargestellten Fall bei einem Radius von 34 mm) mittels
einer Fourieranalyse FFT (Fast Fourier Transformation) aufgenommen.
In dem dargestellten Oberflächenspektrum über einen
Umfangsschnitt zeigt sich, dass der Ortsfrequenzgang von null bis
etwa zwei Perioden pro Millimeter relativ konstant ist. Ab etwa
2,8 Strukturen pro Millimeter ist der Ortsfrequenzgang nahe null.
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Die
untere Abbildung von 7 zeigt nun die Umrechnung des
mittels der FFT-Analyse aufgenommenen Ortsfrequenzgangs in einen
Schwingungsfrequenzgang unter der Annahme einer Schnittgeschwindigkeit
des Werkzeugs von 50 m/min. Damit ergibt sich ein linearer Abfall
des Ortsfrequenzgangs auf nahe null ab ca. 2.350 Hz, während bis
etwa 1,7 kHz ein sehr linearer Phasengang vorhanden ist.
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Erfindungsgemäß wird die
Schnittgeschwindigkeit so gewählt,
dass bei der ersten Resonanzfrequenz des Aktors, die gemäß 4 bei
ca. 2.400 Hz liegt, der Amplitudengang auf null abgefallen ist.
Bei der gewählten
Struktur kann somit eine Schnittgeschwindigkeit von 50 Meter pro
Minute gewählt
werden, da hierbei der Ortsfrequenzgang bei ca. 2.350 Hz auf nahe
null abgefallen ist. Die mittels des Zufallsgenerators erzeugte Soll-Oberfläche gemäß 6,
die der räumlichen
Struktur gemäß 5 entspricht,
hat somit den Amplitudengang eines tiefpassbegrenzten weißen Rauschens
und kann mit dem erfindungsgemäßen Aktor 30 vorteilhaft
mit einer Schnittgeschwindigkeit von etwa 50 m/min. erzeugt werden.
Damit ist auch die Bearbeitung sehr harter Metallwerkstoffe, wie
etwa von Hartmetallen möglich,
die eine ausreichend hohe Schnittgeschwindigkeit erfordern, da ansonsten
Vibrationen auftreten.
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8 zeigt
die grundsätzliche
Steuerung der Vorrichtung 10 zur Mikrostrukturierung bei
einer Bearbeitung nach der Art des Plandrehens.
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Zunächst wird
eine stochastische Mikrolinsenstruktur erzeugt (vgl. 5 bzw. 6).
Alternativ können
natürlich
andere Strukturen abgebildet werden, wie etwa umgerechnete Fotografien,
Symbole etc.
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Diese
Strukturen werden sodann in Polarkoordinaten transformiert.
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Anhand
einer Ortsfrequenzanalyse erfolgt anschließend die Auswahl der Bearbeitungsbedingungen
und eine Simulation der Bearbeitung. Mit einer geeigneten Schnittgeschwindigkeit
werden sodann von einem Echtzeitrechner zur Aktoransteuerung, bei
dem es sich um einen PC mit Signalprozessorkarte handeln kann, die
notwendigen Stellsignale für
den Aktor und für
die Positionierung des Aktors in Radialrichtung erzeugt. Der Echtzeitrechner
wertet hierzu die von dem Drehgeber 31 erzeugten Drehgeberimpulse
für die
Drehachse und die von einem weiteren Drehgeber für die Radialachse erzeugten
Impulse aus und erzeugt den Start- und Endimpuls für die Bearbeitung.
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Bei
der Ortsfrequenzanalyse wird ermittelt, welche Grenzfrequenz die
erzeugende Soll-Mikrostruktur aufweist. Ergibt die Ortsfrequenzanalyse eine
sehr hohe Grenzfrequenz, so führt
dies dazu, dass nur eine sehr geringe Schnittgeschwindigkeit gewählt werden
kann, um sicherzustellen, dass die maximale Grenzfrequenz unterhalb
der ersten Resonanzfrequenz des Aktors liegt. Dies wäre beispielsweise
der Fall, wenn die zu erzeugende Soll-Mikrostruktur scharfe Kanten oder dergleichen
aufweist.
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In
diesem Fall ist es sinnvoll, die zur erzeugende Soll-Mikrostruktur zunächst durch
ein Tiefpassfilter oder Bandpassfilter, beispielsweise durch ein
Sobel-Filter zu glätten,
um so ein tiefpassgefiltertes Signal zu erhalten, das auf vorteilhafte
Weise mit dem erfindungsgemäßen Aktorsystem
bearbeitet werden kann.
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Die
zu erzeugende Soll-Mikrostruktur (vgl. 6) sollte
quadratisch sein und in Pixeldarstellung ungerade sein, beispielsweise
801 mal 801 Pixel. Aus dieser quadratischen Struktur kann bei der
Drehbearbeitung ein Kreis mit einem Durchmesser von 801 Pixel bearbeitet
werden. Um auch am äußeren Bildrand
im Polarkoordinaten quadratische Pixel zu erhalten, sollte das Bildformat
etwa der Auflösung des
Drehgebers der Spindelachse dividiert durch PI (die Pixelgenauigkeit)
entsprechen. Wird eine Tiefenvorgabe von 1 Byte (= 255 Graustufen)
gewählt,
so kann beispielsweise ein Drehgeber mit 2.500 Inkrementen verwendet
werden. Die 255 Graustufen sollen beispielhaft später in der
Tiefenzustellung des Aktors einer Tiefe von 0 bis 10 μm entsprechen.
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In 9 ist
nun der zugehörige
Algorithmus für
eine derartige Bearbeitung dargestellt.
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Die
zu erzeugende Soll-Mikrostruktur wird in Polarkoordinaten umgerechnet
und als Polarkoordinatenbild G(c, n) als LUT mit 2.500 × 401 Pixel
gespeichert, wobei der Stellwert für den Aktor mit der Genauigkeit
von 1 Byte angegeben ist. Der Stellwert G kann somit Werte zwischen
0 und 255 annehmen, was einer Auslenkung des Aktors zwischen 0 und maximal
40 μm entsprechen
kann oder auch einem kleineren Bereich, beispielsweise von 0 bis
10 μm.
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Das
Polarkoordinatenbild gemäß 9 wird in
der LUT im BMP-Format
gespeichert.
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Die
Winkelposition der Spindel 12 wird gemäß 9 mittels
des Drehgebers Spindel C erfasst und ausgehend von einem Anfangswert „Initiator Spindel" nach Umsetzung in
einen Digitalwert über den
Flankenzähler
erfasst und als „c-Wert" verarbeitet.
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Auch
die Radialposition des Aktors wird über einen Drehgeber Y erfasst
und nach Umsetzung in einen Digitalwert über einen Flankenzähler verarbeitet.
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Der
Piezoantrieb wird über
einen Echtzeitrechner mit den Stellwerten für die Zustellung in z-Richtung
(weg von hmin bis hmax) angesteuert.
Der Verstärker
erhält
seine Eingangswerte aus der LUT und den von den Drehgebern für die Winkelposition und
Radialposition erhaltenen Werte über
einen Digital/Analog-Wandler nach einem geeigneten Algorithmus.
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Die
Verstärkereingangsspannung
Umin bei g = 0 entspricht hmin,
während
die Verstärkereingangsspannung
Umax bei g = 255 dem maximalen Stellwert hmax entspricht. „Vollradius" bedeutet die Anzahl
der Radialimpulse beim Fahren von Rmax bis
R0 (also vom Außenradius bis zur Mitte). In 9 bedeutet „floor(y)" eine Abrundung auf
die nächste
gerade Zahl.
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Mit
dem in 9 dargestellten Algorithmus wird der Verstärker über den
Digital/Analog-Wandler ausgehend von den Werten aus der LUT und
von den Werten des Drehgebers C für die Spindel und des radialen
Drehgebers Y für
die Radialposition gesteuert.
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Dabei
verwendet der Algorithmus einer Interpolation für zwei in Radialrichtung unmittelbar
nebeneinander liegende Pixel, um die Verstärkereingangsspannung bei der
Zustellung des Aktors um ein Pixel in Radialrichtung zu glätten. Wie
im ersten Kästchen rechts
neben dem Polarkoordinatenbild dargestellt, interpoliert der Algorithmus
g = G(c, n + 1)·(1 – d) + G(c,
n +2)·d.
Daraus ergibt sich dann der digitale Wert u für die Verstärkereingangsspannung nach u
= Umin + g·(Umax – Umin)/255. Dieser Wert wird über den Digital/Analog-Wandler
in einen Analogwert zur Ansteuerung des Verstärkers umgesetzt.
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Es
findet also eine lineare Interpolation der Stellwerte bei in Radialrichtung
nebeneinanderliegenden Pixeln statt, während für den Drehwinkel auf eine Interpolation
verzichtet wird. Auf diese Weise werden sonst erkennbare „Riefen" in Drehrichtung vermieden.
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Für den Stellwert
bei konstanter Radialposition ist keine Interpolation erforderlich,
da das mechanische System des Aktors eine ausreichend hohe Trägheit aufweist,
um in Umfangsrichtung eine Glättung
zu erzielen.