DE1907363C3 - Präzisions-Einspannvorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Prä/isions-Hinspannvorrichtung mit automatischer Stabilisierung der Werk stückkoordinaten, mit einer Vorrichtung zur mechanischen Voreinstellung eines das Werkstück nagenden Be/ugsblockes. optischen Stellungsgebern für die Bezugsblockkoordinaten i^-nd von aus den Slellungsgebermeßsignalen abgeleiteten Fehlerspannungen beeinflußten, piezoelektrischen Keramikkörpern zur Feineinstellung rlcr Wcrkstückkoorclinaten.

Fine derartige Vorrichtung ist aus der französischen Patentschrift 15 24 444 bekannt. Nachteilig ist hieran, <>« daß die piezoelektrischen Keramikkörper /ur Feineinstellung der Weikslückko >rdinaten für beide Koordinatenrichiungen jeweils unmittelbar am Werkstückträger angreifen, wodurch eine rückwirkiingsl'reie Positionierung in den verschiedenen Koordiniiienricliiungen nicht ''5 möglich ist, also beim Verschieben in einer Koordinatenrichtung ein Verkanten ties Werkstückes in der anderen Koordinatennchtunt: bzw. kleine Verdrehungen des Werkstückes auftreten können.

Auch aus der USA-Patentschrift 30 48 044 ist es im übrigen schon bekannt, eine Feinpositionierung eines Körpers mit Hilfe von elektromechanischen Wandlern vorzunehmen. Jedoch greifen diese Wandler wiederum unmittelbar an dem betreffenden Körper an. so daß der gleiche Nachteil wie bei der zuvor genannten, bekannten Vorrichtung auftritt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der einleitend angegebenen Gattung zu schaffen, die eine noch genauere Werkstüekpositionierung durch rückwirkungsfreie Verstellung in den einzelnen KoordinatenrichUingen zu erreichen gestattet.

Diese Aufgabe ist durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs I angegebenen Merkmale gelöst. In den llnteransprüchen sind vorteiUiafte Ausführungsformen und Weiterbildungen angegeben.

Durch die Ausgestaltung der Vorrichtung mit den Merkmalen der Erfindung wird eine besonders hohe Positionierungsgenauigkeit dadurch erreicht, daß einerseits eine beabsichtigte Verschiebung in einer Koordinatenrichtung nicht zu einer unbeabsichtigten Verschiebung in der anderen Koordinatenrichtung führt, was nämlich zu beträchtlichen Schwierigkeiten in der Ausregelung bzw. Stabilisierung der Sollkoordinaten Anlaß geben würde und daß andererseits die zwangsläufigen Fehler in der Vorrichtung zur mechanischen Voreinstellung der SoMkoordinaten in Folge von Reibung und Spiel miiausgeregelt werden.

In der Zeichnung ist die Vorrichtung nach der Erfindung anhand von beispielsweise gewählten Auslührtingsformen schemalisch vereinfacht dargestellt. Fs zeigt

F i g. 1 eine perspektivische Übersichtszeichnung der Prä/.isk.ns-Einspannvorrichtung nach der Erfindung.

F i g. 2 eine Aiisführungsform des mechanischen Teils der in Fig. I dargestellten Vorrichtung in einer Ansicht von unten,

Fig. 3 ein Prinzipschema des optischen l.agemarkierungssyslems als Teil der Vorrichtung nach tier Erfindung,

Fig. 4 eine ins einzelne gehende Darstellung der Vorrichtung und

F i g. 5 eine Aufsicht auf eine andere Aiisführiingsform der Vorrichtung.

Da die Einstellung bzw. das Einspannen eines Werkstücks gegenüber der Auflage im Laufe der Zeit beispielsweise durch bereits geringfügige Schwankungen de Umgebungstemperatur bzw. durch ein Verschicben entlang einer Koordinate Veränderungen erfahren kann, wobei dieses Verschieben im allgemeinen störende Drehbewegungen auftreten läßt, wird entsprechend der Erfindung eine ständige und sehr genaue Lagemarkierung des Werkstücks durchgeführt und die hierbei anfallenden Werte von einer Siabilisicrungsschicifc ausgewertet. Hierbei werden die festen Koordinaten des Werkstücks in der Form korrigiert, daß diese anschließend einem voreinslellbarcu Mittelwert entsprechen und sich eine Cienauigkeit von über einem Zehntel Mikron erzielen läßt.

Hierzu wird die in Zeichnung 1 in der Übersicht gezeigte Vorrichtung verwendet. Diese Vorrichtung umfaßt ein Korrekiursystem ( ', this von piezoelektrischen Kcraniikteilcn Al, Λ2. >'1, )2 gesteuert und auf den Auflagekörper '/. montiert ist. Auf diesem Korrektursysteni Cbefindet sich ein beispielsweise aus zwei Kckreuz.ten Platten V. IVbesiehender Kreu/sehlil-

h/w support, der mit einer optischen Einheit A ^C'c.,mmenarbeitei. Die Verschiebungen dieser optiu l-inheii 4 gegenüber dem Auflagekorper / IMi durch vier Interferometer /1. /2. /3 und /4 '"'ssen deren Lichtbündcl die Re-ncxionsflächen M S "°'Γ \2 der optischen Einheit A ausleuchten. Die nüber der Normeinstellung auftretenden Abwei- K m.en werden in Form einer Fehlerspannung an die Kcramiktcile Xl. X2. Vl. V? des Korrektursvstems C ^NC wodurch es möglich wird, diese io

ι verringern.

„.,,^.e Aufbauform des mechanischen Teils ekiursysiems C ist in Form einer Übersicht in 2 dargestellt. Dieser mechanische Teil ι konzentrisch angeordnete Rahmen Π. C2, 15 . jeweils zu zweit, über Torsionsla-

könmen. deren Frequenz sich im Bereich des Frequenzbandes des Korrektursystems befinden könnte.

Um l.aaefehlcr zu korrigieren, die auf eventuell auftretende Drehbewegungen des zu bearbeite-nden Werkstücks P zurück/uiühren sind, hegt dieses Werkstück P auf einem Bezugsblock A. der selbst auf einem an Torsionslamellen /.3 im Rahmen C3 aufgehängten >rt C4 liegt Mit Hilfe von Keramikteilen R. die au. Torsionslamellen ΙΛ über Kugeln B einwirken, laßt sich der Support CA sehr leicht gegenüber deir Rahmen C3 und demnach gegenüber dem Bezugsiaiv men CI drehen. Diese Keramikteile R werden von den Fehlersignal gesteuert, das aus dem Vergleich zweier auf der Bleichen Koordinate und an jedem Ende des Be-ZUgSbU)CkS A gleichzeitig durchgeführten Messungen entsteht.

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henden Rahmens wird beispielsweise über 25 des Verg ejc

Vorrichtung fest verbunden ist. Diese Verschiebung kann sowohl in Richtung A als auch in Richtung V erfolgen, wobei jede Verschiebung unabhängig von der in Gegenrichtung erfolgen kann. Fs darf als bekannt vorausgesetzt werden, daß piezoelektrische Keramik- λ5 körper die Eigenschaft besitzen, sich aufgrund einer mittleren Ausdehnung und unter Einwirkung eines elektrischen Signals auszudehnen oder zusammenzuziehen.

Eiegt also kein Steuersignal vor, so erhalten diese 4c Keramikteile die gleiche Vorspannung und erfahren somit die gleiche Ausdehnung. Dieses Phänomen der Ausdehnung läßt infolgedessen keinerlei Spiel innerhalb des mechanischen Aufbaus der beiden Rahmen zu. Wird nunmehr ein Steuersignal auf die ein: oder andere Gruppe der Keramikteile wirksam, so entstein eine verstärkte Ausdehnung der einen sowie eine verringerte Ausdehnung der anderen Keramikgruppe und es komm, somit zu einer Verschiebung des inneren Rahmens gegenüber dem Be/iigsrahmen Cl. Infolge- so dessen bewirkt ein auf die Keramiktcil-vmippe Al. A2 übertragenes Steuersignal eine Verschiebung entlang tier Achse Λ des Rahmens C2 und somit indirekt eine Verschiebung des Rahmens C3, während demgegenüber ein auf die Keramikieil-Gnippe Vl, V2 wirksam ss" werdendes Steuersignal eine Verschiebung dieses Rahmens (3 entlang der Achse- V zur Folge hat. Aus dieser Darstellung wird demnach klar ersichtlich, daß man zu jeder /eil die levveilige l.a;v sowohl in der A-als auch in der V-Achse korrigieren kann, wobei man < sich als Sleiiersignale für die Kei amiktctle der l'ehlcrsigiule bedient, die sich aus dem Vergleich /wischen ständig durchgeführter Koordinaten-Messung und viireinsiellbaren Millelwerien ableiten lassen. Man erhall soinii eine automatische Stabilisierung der einen ^(l und/oder anderen V und V Koordinaten.

Dieser geschilderu· Aufbau schliel.il darüber hinaus ^i.-.i-MiiiiiMi .ms. du· Vibrationen auftreten lassen somit durchgeführten Korrekturen werden ständig überwacht, wodurch sich eine Stabilisierung der Koordinaten ergibt. Da diese Korrekturen voneinander unabhängig sind, kann das Werkstück Psowie der Block 1 entlang einer der Koordinaten verschoben werden, ohne daß hierdurch die anderen beeinflußt werden. Somit lassen sich durch das kombinierte Einwirken der piezoelektrischen Keramikteile Xl. Λ2. Vi. V2. R unabhängig voneinander sehr leine Korrekturen entlang der X- und V-Achse sowie bei Rotation

vornehmen.

Innerhalb einer besonderen Aufbauform der erfin dungsgemäßen Präzisions-Einspann vorrichtung handelt es sich bei dem Koordinaten-Meßsysiem um ein auf der l.aser-lnterferometrie beruhendes optisches System. Das zugehörige Aufbauschema ist in Zeichnung 3

dargestellt.

Hierbei leuchtet ein vorzugsweise stabilisierter (monomode) Easer L gleichzeitig vier Michelsonsche Interferometer über drei teilweise reflektierende Spiegel Ml, Λ/2, Λ73 und zwei Opakspiegel M4 und Λβ aus. jedes dieser Interferometer umfaßt einen feststehenden Planspiegel /. einen beweglichen und 'ins einer der Flächen Λ1 oder \2 des ßezi.igsblocks Λ bestehenden Planspiegel sowie einen teilweise reflektierenden Spiegel .S'. Der Be/ugsblock Λ wird hierbei vorzug-Aveise aus einer Optik gebildet, deren reflektierende !lachen A\ und Λ2 einen hochpräzisen Planschlifl besitzen, wobei der zwischen diesen !'lachen gebildete 4() W.nkel mit einer Präzision von über + 0.' Bogcnsckunden festliegt.

Wenn nunmehr infolge der Bewegung des Kreuz Schlittens si, h der lUviifisbloi k A entlang der A ode V-Achse gegenüber dem S. pport (4 und demnacl dem Aiiliagekoipei / mn dem daran

gegenüber uim /\,M,,,_{bv r}_.

moniierten optischen System verschiebt, so übertrage die he,den längs dieser Bewegungsrichtung ausgcrichte ten Interferometer den entsprechenden Emplangseii

heilen /:'eine l.iehlintensiläl. die sich in Ah von tier Bewegung bzw. Verschiebung siniislorinig ändert.

Die l.mpfangseinheiten / umfassen beispielsweise piezoelektrische Aulnahmezellen. denen Schallungen zur Bestimmung tier Bewegungsrichtung (siehe Patentanmeldung P Ib 73 943.8 vom 18. I. 68) zugeordnet sind. Innerhalb dieser Schaltungen bestimmt ein Summenzähler die genaue Lage ties Werkstücks /·" und zwar unabhängig von den aufeinanderfolgenden Vorschub- bzw. Rückziigsbewegimgen des Beztigsblocks A hei einer Genauigkeit von mehr als 0,3 Mikron. Mit 1 IiIIe von herkömmlichen, nicht auf den Zeichnungen angegebenen Schaltungen werden nunmehr die gemessenen mit den voreingestellten Werten verglichen. Die aus diesem Vergleich ableitbaren Fehlersignale werden piezoelektrischen Keramikteilen übertragen und sonnt eine gleichzeitige l.agekorreklur durchgeführt. Bei der Anwendung dieser Geräte zur phototechnischen Herstellung von Schablonen fur Mikroschalikreise. bei denen this jeweilige Schaltbild in Form von Zeilen und Spalten auf der photogralischen Platte aulgezeichnet wird, kann die Aufzeichnung einer Bildzeile beispielsweise in tier Form erfolgen, daß man die der jeweiligen Spalte entsprechende Koordinate stabilisiert, störende Drehbewegungen korrigiert und gleichzciug ilen Vorschub tier Platte entlang tier entsprechenden Zeile kontrolliert, wobei die durchgeführten Vorschubmessungen zur Regelung der Vorsehiibgeschwmdigkcil entlang dieser Zeile ausgeweitet werden können.

Zeichnung 4 stellt ein detailliertes Aufbauschema tier erfintlungsgemäßen Vorrichtung dar. Der optische '!eil innerhalb dieser Aufbauform ist praktisch identisch mit dem in Zeichnung 3 gezeigten, wobei die Bezugsspiegel IX. 12. /3 und 1-4 in diesem I alle auf piezoelektrischen Keramikteilen KX, K2. Ki und K4 befestigt sind, die ihrerseits mit Hilfe der Potentiometer /³S. Afc. /7 und IV, gesteuert werden.

Das Korreklursyslem ('mit den gekreuzt daraufliegenden Platten Wund V umfaßt die drei konzentrisch angeordneten Tcilegruppen (1.C2und Ci.

Diese Teile können zueinander an Torsionslamellen LX. 1.2 aufgehängt und durch piezoelektrische Keramikteile Xl. A'2, Vl. V2 verschoben werden, wobei jede Gruppe aus zwei elektrisch unabhängigen Kcramikieilen besteht, wobei die Federn 7", und 7", zur Aufhängung tier Rahmen CX, CZ (3 an den genannten Keramikieilen verwendet werden.

Zu Beginn der Einstellungen wird der Block A mit Hilfe der Platten .",, P, in die Nähe der Ausgangsposition gebracht, die beispielsweise durch drei photoelekirischc Mikroskope Dt, Dl. Di festgelegt werden kann.

Diese Mikroskope können diese Position durch einen Strich einer Breite von einigen zehn Mikron markieren und zwar mit einer Präzision, die je nach Empfindlichkeit der Vorrichtung zwischen einigen Mikrons und einigen Hundertstel Mikron liegt.

Die Vorschubgenauigkeit der Stellspindeln für die Platten V, W muß eine Ersteinstellung des Blocks A gegenüber den Mikroskopen auf einige Mikrons genau ermöglichen. Mit Hilfe der über die Potentiometer Pi. Pl. Pi und P4 gesteuerten piezoelektrischen Keramikteile kann die Ausgangsposition bis auf mindestens 0.1 Mikron genau festgelegt werden. Diese letzte Einstellung erfolgt mit der maximalen Empfindlichkeit der Mikroskope, was einer Genauigkeit von einigen Hundertstel Mikron entspricht.

lsi die Ausgangsposition des Blocks Λ festgelegt, so

werden die Potentiometer /*5. lh. /7 und /tt einjusliert. wobei die Rcferen/spiegel /Ί. II. /3 und /4 äußerst präzis verstellt und auf den Voltmetern IH, I >2. Iß und 114 die Bewegungen der Inierferenzstreil'en beobachtet ^s werden können.

Ist tier Block A anschließend in der .Y-Achse zu

verschieben, so werden die Schalter /, aus der Stellung 1 in tlie Stellung 2 umgeschaltet und damit die verstärkte Ausgangsspannung der Empfänger NX. R2 auf die

in Keiamikleile Vl und V2 umgeschaltet.

Während dieser Verschiebung äußern sich die Translations- bzw. Rotaiionsabweichungeii gegenüber der Normvc'-schiebuiig in der X-Achse am Ausgang der empfänger RX. N2 .n einem leichten Auswandern des Streifenteils. was mit Bezug auf Null einer positiven oder negativen I ehlerspannung entspricht.

Diese durch die Elemente QX und (,/2 verstärkte

I elilerspaniHing wird den Keramikteileii Vl. V2 zur Korrektur bzw. lehlerausmiltlung übertragen, wonach die Beschneitlung der l'ehleraiisschläge dem Regelgrad ties Systems entspricht.

Während dieser Verschiebung bei konstanter V-Achse übernimmt ein zweiter, dem Empliingcr /<"5 des Interferometers /4 zugeordneter Empfänger Kh. nach einem bekannten Meßverfahren die Addition tier gesamten auf der Λ Achse vorbeiwandernden Interlerenzst reifen.

In diesem Zusammenhang steuert ein logischer Schaltkreis Ii zur Bestimmung der Bewegungsrichtung .1° einen Summenzähler C<2. der je nach der Bewegungsrichtung des Blocks 1 auf der Λ Achse die vom Empfänger N5 gelieferten liiterferenzsireifen liin/uzählt oder abzieht.

Das Ergebnis dieser Messung kann durch ein Direklanzeigegerät angezeigt werden {l\).

Liegt bei einer Verschiebung entlang der ,Y-Achse der auf dem Direktanzcigegeräl /:", dargestellte Wert ausreichend nahe dem Normwerl. so wird die Platte V angehalten und die von den Potentiometern /⁷J. l'4 gesteuerten Keramikieile übernehmen die Eeincinstellung.

Mit Hilfe der Voltmeter /75. 114 kann in Nähe des

Nullpunktes des letzten Interferenzstreifens eine ganze Zahl Streifen und zudem ein Bruchteil ermittelt werden.

wobei die Genauigkeit in der Regel bei einigen Hundertstel Mikron liegt.

Das soeben beschriebene Verfahren gilt in gleicher Weise für eine gegebene Verschiebung entlang der V-Achsc und bei konstanter X-Achse.

Die Kennzeichnung der Ausgangsposition des Blocks A kann auch mit Hilfe von nur zwei Mikroskopen durchgeführt werden, die die jeweilige Position durch Striche markieren, die auf der oberen horizontalen Fläche des Blocks eingraviert werden. In diesem Falle werden die Mikroskope jedoch senkrecht über dem Block angebracht, wonach sich in gewissen Fällen Schwierigkeiten in bezug auf die allgemeine Einbaulage ergeben können.

Von einigen geringfügigen Änderungen abgesehen. können diese Vorrichtungen ebenfalls für andere Anwendungsfällc herangezogen werden, wie z. B. für die Lagemarkierung eines um seine Achse drehenden Rotationskörpers. Eine für diesen Betriebsfall vorgesehene Vorrichtung ist in Zeichnung 5 dargestellt. Diese Vorrichtung eignet sich darüber hinaus zur Messung von Verformungen eines sich drehenden Körpers, wobei eine Technik der sogenannten holographischen Interferometrie angewandt wird, bei der das /u

untersuchende Werkstück mil seinem I Kilogramm verglichen wird. Die genaue Ausrichtung dieses Werkstücks /'macht es erforderlich, die Rotationsachse O mit der Rotationsachse der Platte I. auf der das Werkstück iiiifliegi. zusammenfallen zu lassen sowie die s svsteinhedingten l-'ehlerdieser Platte /Vu berichtigen.

Der mechanische Teil der in Zeichnung '> gezeigten Vorrichtung wurde aus dem in Zeichnung 2 dargestellten abgeleitet, wobei jedoch die vom Rahmen ( 3. dem Support ( 4 und den Keramikieilcn K gebildete I-Unheil durch einen Support (5 nut tier Drehachse der Platte J erset/i wurde. I. in auf diese Platte montiertes Kreuzschliiicnsysleiii V. Umgestaltet eine erste Zentrierung mit Hilfe eines mechanischen Komparator N. der auf den Support (5 montiert ist und bei rotierender κ Platte /'einen engen Randbereich des Werkstücks /' ablastet.

Die Genauigkeit dieser ersten Zentrierung liegt in der Regel bei einigen Mikrons. Eine über ein Zehntel Mikron hinausgehende Präzision wird erreicht, wenn _M man als Stellungsgeber bzw. Bewegungsanzeiger zwei Michelsonsche Interferometer verwendet, die von ein und derselben l.aserquelle /. ausgeleuchtet werden. Der bewegliche Spiegel dieser einerseits in der X-andererscits in der V-Achse angeordneten Interferome- _2; ler w ml durch den Auftneffpunkl des Laserstrahls auf der sogenannten Bezugszone des zu prüfenden Werkstücks, einer rellektierenden Zone, dargestellt. Zwei Linsen // sorgen für die Konvergenz des Laserstrahls auf ein und demselben Punkt der Drehachse 9 des Werkstücks /'. Diese Konvergenz wird auf wirkungsvolle Weise mit Hilfe eines herkömmlichen Laserstrahl Zeiltriergeräts erreicht, das zwischenzeitlich anstelle des Werkstücks /'tritt.

Die wahrend der Messung an den photoelektrischen Empfängern G aufgenommenen und den Verschiebungen der Auftreffpunkle der Lichtbündel am Werkstück P entsprechenden Spannungen werden den entsprechenden piezoelektrischen Kcramikleilen in der f-"orm zugeführt, daß sich automatisch ungewollte Verschiebungen in der Λ- und in der V'-Achse ausgleichen. Die feststehenden Spiegel /"der verwendeten Interferometer sind vorzugsweise auf piezoelektrische Keramikteile K montiert und ermöglichen somit bereits während der Ersteinstcllung ihre Lage in der l^:orm zu justieren, daß man sich unabhängig vom Durchmesser des zu prüfenden Werkstücks P immer im Mittelpunkt eines Interferenzstreifens befindet.

Es gilt als selbstverständlich, daß die beispielhaft gegebene Beschreibung der Erfindung alle hieraus ableitbaren Varianten gleichermaßen einschließt.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen 109 612/90

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Präzisionseinspannvorrichtung mit automatischer Stabilisierung der Werkslückkoordinaien. mit einer Vorrichtung zur mechanischen Voreinstellung eines das Werkstück tragenden Bezugsbiockes. optischen Stellungsgebern für die Bczugsblockkoordinaten und von aus den Stellungsgebei meßsignalen abgeleiteten Fehlerspannungen beeinflußten, piezoelektrischen Keramikkörpern /.ur Feineinstellung der Werkstückkoordinaten, dadurch gekennzeichnet, daß der Bezugsblock (A) mit der Vorrichtung (V. W) zur mechanischen Voreinstellung auf dem innersten von drei konzentrischen Rahmen (Cl, Cl. C3) angeordnet ist, von dcitcn sich der innere Rahmen (<T3) gegen den mittleren Rahmen (Cl) längs einer ersten Koordinatenrichtung (X). der mittleren Rahmen ((Γ2) gegen den äußeren Rahmen (Cl) längs der dazu rechtwinkligen Koordinatenrichtung (Y) jeweils über Torsionslamellen (L2. IA) abstützen und in der jeweils freien Koordinatenrichtung zwischen den Rahmen die piezoelektrischen Keramikkörper () I. 72: ΛΊ, A'2) angeordnet sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zur mechanischen Voreinstellung des Be/ugsblockes (A) als Kreuzschlitten (V. W) ausgebildet und auf einem Support (C4) montiert ist. der in dem innersten Rahmen (C3) an mit den Koordinateneinrichtungen (X. Y) einen Winkel einschließenden Torsionslamellen (13) aufgehängt ist, von denen jede in Querrichtung zwischen zwei piezoelektrischen Keramikkörpern (7tyeingespannt ist. an welchen von den Siellungsgobermeßsignalen abgeleitete Fehlcrspannunger: anliegen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der innere Rahmen (C3) durch einen Support (CS) ersetzt ist. der die Drehachse (C))einer Platte (T) trägt, auf der die Vorrichtung (V. W) zur mechanischen Voreinstellung angeordnet ist und unmittelbar rotationssymmetrischc Werkstücke (P) aufnimmt, und daß zur ersten Voreinstellkontrolle auf diesem Support (C5) ein mechanischer Kompenwor (M)angeordnet ist.