DE19603446B4

DE19603446B4 - Positioniervorrichtung

Info

Publication number: DE19603446B4
Application number: DE19603446A
Authority: DE
Inventors: Yuzaburo Ohsumi
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1995-01-31
Filing date: 1996-01-31
Publication date: 2005-04-14
Anticipated expiration: 2016-02-01
Also published as: DE19603446A1; US5718160A; JPH08267329A

Abstract

Positioniervorrichtung, bei der ein Kolben (1) mit einem Tisch (1a) in einem Zylinder (2) angeordnet und geführt ist, bei der Druckeinstellmittel (6,7) an zwei durch den Kolben (1) voneinander getrennten Druckkammern (3,4) im Zylinder (2) vorgesehen sind, bei der ein Gas in einen Zwischenraum (5) zwischen dem Kolben (1) und dem Zylinder (2) eingeblasen werden kann, um den Kolben (1) hydrostatisch zu lagern, und bei der dieses eingeblasene Gas in die beiden Druckkammern (3,4) eingeleitet werden kann, um den Kolben (1) und den Tisch (1a) durch die Druckdifferenz oder den Wirkdruck zwischen den beiden Druckkammern (3,4) anzutreiben oder zu verschieben, wobei die an den beiden Druckkammern (3,4) vorgesehenen Druckeinstellmittel (6,7) Düsen (6a,7a) zum Einlassen von Gas in die Druckkammern (3,4) sowie Druckeinstellkörper (6b,7b) zum Ändern des Öffnungsgrads der Ausblasöffnung jeder Düse (6a, 7a) umfassen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Positioniervorrichtung zur Verwendung bei Meßgeräten und Zerspanungsmaschinen.
Im Stand der Technik sind als Positioniervorrichtung oder Lageneinstellvorrichtung mit vergleichsweise großen Hüben für verschiedene Werkzeugmaschinen und Meßgeräte solche eines Zylinderservotyps gemäß 8, eines Schraubspindelservotyps gemäß 9 und eines Linearmotorservotyps gemäß 10 bekannt.

Die Vorrichtung gemäß 8 (siehe JP 07-009295 A (abstract)) umfaßt einen Tisch 52, der für Linearbewegung auf einem Lager bzw. Support 51 gelagert ist, und einen Druckluftzylinder 58 für den Antrieb des Tisches 52. Im Luftzylinder 58 wird ein Kolben 55 unter einem Wirkdruck in zwei durch den Kolben 55 in einem Zylinder 59 voneinander getrennten Druckkammern verschoben, so daß der mit dem Kolben 55 über eine Verbindungsstange 56 verbundene Tisch 52 angetrieben, d.h. verschoben wird. Der Tisch 52 ist mit einer Linearskala 53 versehen; eine vorbestimmte Positionierung wird durch Detektieren oder Abgreifen der Stellung des Tisches 52 mittels eines Meßkopfes 54 und durch Rückkoppeln oder -melden der Stellung zum Luftzylinder 58 ermöglicht.

Bei der Schraubspindelservovorrichtung gemäß 9 (sieh JP 05-304081 A (abstract)) ist ein(e) Mutter oder Innengewindestück 60 einer Kugelschraubspindel mit dem Tisch 52 verbunden, der auf dem Support 51 gelagert ist und dadurch linear verschoben wird, daß eine mit dem Innengewindestück 60 in Eingriff stehende Schraubspindel 61 durch einen Motor 62 gedreht wird.

Bei der Linearmotorservovorrichtung gemäß 10 bilden ein Trag- oder Supportkörper 51 und ein Tisch 52 einen Linearmotor für den Direktantrieb des Tisches 52.

Die beschriebenen, herkömmlichen Positioniervorrichtungen sind jedoch mit den nachstehend angegebenen Problemen behaftet.

Da bei der Zylinderservovorrichtung nach 8 der Kolben 55 unter Zwischenfügung eines Dichtglieds 57 im Zylinder 59 gleitet, tritt ein dynamischer Widerstand oder eine dynamische Gegenwirkkraft auf, durch dessen (deren) Differenz die Positioniergenauigkeit beeinträchtigt wird. Bei einem direkt wirkenden Zylinder eines Durchmessers von 40 mm unter Verwendung eines Harz-Dichtglieds 57 beträgt beispielsweise der Gleitwiderstand im Mittel 1,52N, und er verursacht Differenzen von 2 σ = 0,35 N. Sei einem einen Hydraulikdruck von 2 MPa anwendenden Servomechanismus kann die Positionier-Wiederholungsgenauigkeit (2 σ) nicht besser sein als 1,2 μm.

Außerdem beeinflußt die Differenz dieses dynamischen Widerstands oder dieser dynamischen Gegenwirkkraft auch die Arbeitsgeschwindigkeit. Dadurch ergibt sich ein Problem, daß die dynamische Positioniergenauigkeit im Fall, daß eine gleichmäßige maschinelle Bearbeitung erforderlich ist, z.B. bei einer Laserbearbeitungsmaschine, stark verschlechtert ist. Bei der beschriebenen hydraulischen Servovorrichtung liegt z.B. die Dimensions- oder Maß-Differenz (2 σ) bei maschinel ler Bearbeitung mit einer Geschwindigkeit von 3 m/min in der Größenordnung von 4,5 μm.

Weiterhin führt die Differenz des dynamischen Widerstands oder der dynamischen Gegenwirkkraft zu Änderungen der Steifheit in der Arbeits-Axialrichtung. Wenn diese Vorrichtung für den Werkstückvorschub bei einer Drehbank, einer Fräsmaschine o.dgl. eingesetzt wird, ergibt sich ein Problem, daß in der bearbeiteten Fläche unter Beeinträchtigung der Bearbeitungsgenauigkeit ein wellenförmiges Muster entsteht.

Obgleich bei der Schraubspindelservovorrichtung gemäß 9 die Positioniergenauigkeit verbessert ist, ist zwischen dem Innengewindestück 60 und der Schraubspindel 61 eine Punkt- oder Linienberührung vorhanden, wodurch Schwingung erzeugt oder die Steifheit beeinträchtigt wird. Bei Verwendung einer Kugelumlaufschraubspindel ergeben sich Änderungen der Steifheit in der Axialrichtung aufgrund unterschiedlicher Kugeldurchmesser. Hieraus resultiert ein Problem einer mangelhaften Bearbeitungsgenauigkeit.

Die in 10 dargestellte Linearmotorservovorrichtung mit einem hydrostatischen Schlitten gewährleistet zwar gut Stabilität und hohe Positioniergenauigkeit, doch ist sie mit dem Problem behaftet, daß der den Tisch 52 in der Arbeits-Axialrichtung haltende Faktor lediglich die Haltekraft des Linearmotors ist; folglich ist die Steifheit in der Arbeits-Axialrichtung außerordentlich gering. Diese Vorrichtung kann deshalb zwar für Meßgeräte und Laserbearbeitungsmaschinen eingesetzt werden, doch ist sie für den Werkstückvorschub bei Drehbänken und Fräsmaschinen ungeeignet.

Aus der DE 36 20 969 C2 ist eine Vorrichtung zum Positionieren eines Tisches bekannt, bei der der Tisch, eine erste Antriebsvorrichtung zur Grobpositionierung und eine zweite Antriebsvorrichtung zur Feinpositionierung in gemeinsamer Wirkungslinie in Reihe angeordnet sind. Die erste Antriebsvorrichtung ist eine strömungsmittelbetätigte Kolben-Zylinder-Einheit, die nach Ausführen der Positionierung arretiert werden kann, und die zweite Antriebsvorrichtung ist ein Spindelantrieb, der zur Feinpositionierung den Tisch und die arretierte erste Antriebsvorrichtung bewegt.

Aus der DE 44 36 045 A1 ist eine Vorrichtung zum Positionieren eines Tisches bekannt, bei der als Antriebsvorrichtung ein Spindelantrieb verwendet wird. Zusätzlich zum Spindelantrieb sind zur Entlastung des Antriebsmotors der Spindel zwei parallele Zylinderrohre in Längsrichtung der Spindel vorgesehen, in denen jeweils ein Kolben pneumatisch parallel zum Tisch bewegt wird. An den Kolben und an dem Tisch sind jeweils Permanentmagnete vorgesehen, so dass durch die magnetische Interaktion der Tisch bei Bewegung der Kolben zusätzlich bzw. parallel zum Antrieb durch den Spindelantrieb gezogen wird.

Aus der DE 43 07 482 A1 ist schließlich eine Werkzeugmaschine mit einer Vorrichtung zum Positionieren eines Tisches bzw. Schlittens bekannt, bei der der Antrieb parallel zu einer Bewegungsachse ausgerichtete, im Abstand zueinander angeordnete und gleichzeitig betriebene elektrische Linearmotore umfasst, zwischen denen sich der Schlitten erstreckt.

Aufgabe der Erfindung ist damit die Schaffung einer verbesserten Positioniervorrichtung, welche die hohe Steifheit einer Zylinderservovorrichtung mit den gleichmäßigen Positioniereigenschaften einer Linearmotorservovorrichtung in sich vereinigt.

Die Aufgabe wird gelöst durch Gegenstände mit den Merkmalen der Patentansprüche 1 beziehungsweise 2 und 3.

Gegenstand der Erfindung ist eine Positioniervorrichtung, bei der ein Kolben mit einem Tisch in einem Zylinder angeordnet und geführt ist, bei der Druckeinstellmittel an zwei durch den Kolben voneinander getrennten Druckkammern im Zylinder vorgesehen sind, bei der ein Gas in einen Zwischenraum zwischen dem Kolben und dem Zylinder eingeblasen werden kann, um den Kolben hydrostatisch zu lagern, und bei der dieses eingeblasene Gas in die beiden Druckkammern eingeleitet werden kann, um den Kolben und den Tisch durch die Druckdifferenz oder den Wirkdruck zwischen den beiden Druckkammern anzutreiben oder zu verschieben, wobei die an den beiden Druckkammern vorgesehenen Druckeinstellmittel Düsen zum Einlassen von Gas in die Druckkammern sowie Druckeinstellkörper zum Ändern des Öffnungsgrads der Ausblasöffnung jeder Düse umfassen.

Gegenstand der Erfindung ist auch eine Positioniervorrichtung, bei der ein Tisch auf einer Achse in der Axialrichtung verschiebbar geführt ist, die Druckeinstellmittel an zwei Druckkammern aufweist, bei der in der Linearrichtung flexible Dichtungsglieder an den Stirnflächen des Tisches vorgesehen sind und bei der ein Gas in einen Zwischenraum zwischen dem Tisch und der Achse eingeblasen werden kann, um den Tisch hydrostatisch zu lagern und das Gas zum Antreiben oder Verschieben des Tisches durch die (den) zwischen den beiden Druckkammern erzeugte(n) Druckdifferenz oder Wirkdruck in die beiden Druckkammern einzuleiten, wobei die an den beiden Druckkammern vorgesehenen Druckeinstellmittel Düsen zum Einlassen von Gas in die Druckkammern sowie Druckeinstellkörper zum Ändern des Öffnungsgrads der Ausblasöffnung jeder Düse umfassen.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist deren Gegenstand eine Positioniervorrichtung, bei der ein Drehkörper mit einem rotierenden, zylindrischen Achsabschnitt und einem angeformten, ungefähr fächerförmigen Antriebsteil drehbar im Innenraum eines Zylinders aufgenommen ist, bei der Druckeinstellmittel an zwei zwischen dem Antriebsteil des Drehkörpers und dem Innenraum des Zylinders geformten Druckkammern vorgesehen sind und bei der ein Gas in einen Zwischenraum zwischen dem Drehkörper und dem Zylinder eingeblasen wird, um den Drehkörper hydrostatisch zu lagern und das eingeblasene Gas in die beiden Druckkammern einzuführen und damit den Drehkörper durch die (den) Druckdifferenz oder Wirkdruck zwischen den beiden Druckkammern in der Drehrichtung anzutreiben, wobei die an den beiden Druckkammern vorgesehenen Druckeinstellmittel Düsen zum Einlassen von Gas in die Druckkammern sowie Druckeinstellkörper zum Ändern des Öffnungsgrads der Ausblasöffnung jeder Düse umfassen.

Bei der erfindungsgemäßen Positioniervorrichtung kann ein Kolben, ein Drehkörper o.dgl. durch Einstellung des Drucks in jeder Druckkammer mittels eines Druckeinstellmittels in Schwingung bzw. Bewegung versetzt werden. Da die Positioniervorrichtung dabei einen Zylinderservomechanismus aufweist, kann sie eine hohe Steifheit in der Antriebsrichtung aufweisen, und da bei ihr der Kolben, der Drehkörper o.dgl. hydrostatisch gelagert oder geführt ist, sind der dynamische Widerstand und die dynamische Gegenwirkkraft ziemlich klein. Da sie ferner keinen Gleit- oder Biegeabschnitt aufweist, tritt keine zeitabhängige Änderung auf, so daß eine stabile, zuverlässige, wiederholte Positionierung über einen langen Zeitraum hinweg möglich ist.

Das in bzw. an jeder Druckkammer befindliche Druckeinstellmittel kann den in ersterer herrschenden Druck bei kleinem Öffnungsgrad der Ausblasöffnung der Düse durch kleine Verschiebung der Druckeinstellscheibe erhöhen und andererseits den Druck in der Druckkammer verringern, wenn der Öffnungsgrad der Ausblasöffnung der Düse groß eingestellt wird. Dies bedeutet, daß lediglich durch Einstellung des Öffnungsgrads mit der Druckeinstellscheibe der in der Druckkammer herrschende Druck einfach eingestellt bzw. geregelt werden kann.

Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung im Vergleich zum Stand der Technik anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
1 eine perspektivische Darstellung einer Positioniervorrichtung gemäß der Erfindung,
2 einen Schnitt längs der Linie X-X in 1,
3 eine Darstellung zur Veranschaulichung der Steuermethode bei der erfindungsgemäßen Positioniervorrichtung,
4(A) und (B) Schnittansichten anderer Ausführungsformen des Druckeinstellteils bei der erfindungsgemäßen Positioniervorrichtung,
5 eine perspektivische Darstellung einer anderen Ausführungsform der Erfindung,
6 einen Schnitt längs der Linie Y-Y in 5,
7(A) eine Seitenansicht noch einer anderen Ausführungsform der Erfindung,
7(B) einen Schnitt längs der Linie Z-Z in 7(A),
8 eine Draufsicht auf eine herkömmliche Positioniervorrichtung,
9 eine Draufsicht auf eine andere herkömmliche Positioniervorrichtung und
10 eine Draufsicht auf noch eine andere herkömmliche Positioniervorrichtung.
Die 8 bis 10 sind eingangs bereits erläutert worden.
Gemäß den 1 und 2 ist bei der erfindungsgemäßen Positioniervorrichtung ein einstückig mit einem (Maschinen-)Tisch 1a ausgebildeter Kolben 1 in einem Zylinder 2 angeordnet. Der Tisch 1a liegt an einem Öffnungsteil 2a des Zylinders 2 nach außen hin frei. Dabei sind Druckeinstellteile 6 und 7 vorgesehen, die jeweils mit zwei im Zylinder 2 festgelegten, durch den Kolben 1 voneinander getrennten Druckkammern 3 bzw. 4 in Verbin dung stehen. Der Kolben 1, der zur Verringerung seines Gewichts hohl ausgeführt ist, ist an den beiden Endabschnitten der den Tisch 1a aufweisenden Fläche mit je einer Gasnut oder -rille 1b für Abschirmung und hydrostatische Lagerung zwischen dem Öffnungsteil 2a und den jeweiligen Druckkammern 3 und 4 versehen.
Ferner ist ein Gasspeiserohrstutzen 10 zum Zuspeisen eines Gases eines Drucks P₀ in dem der Seitenfläche des Kolbens 1 entsprechenden Bereich des Zylinders 2 vorgesehen. An der anderen Seitenfläche des Kolbens 1 ist eine Linearskala 8 vorgesehen, während an der betreffenden Innenwand des Zylinders ein Detektions- bzw. Meßkopf 9 angeordnet ist; dadurch wird ein Stellungsgeber zum Erfassen der Stellung des Kolbens 1 gebildet.
Die Druckeinstellteile beziehungsweise Druckeinstellmittel 6 und 7 umfassen mit den Druckkammern 3 bzw. 4 kommunizierende Düsen oder Durchgänge 6a bzw. 7a, Druckeinstellkörper beziehungsweise Druckeinstellscheiben 6b bzw. 7b als an den Ausblasseiten der Düsen 6a bzw. 7a angeordnete Druckeinstell- oder -regelkörper sowie piezoelektrische Betätigungs- oder Stellglieder 6c bzw. 7c zum Ändern der Abstände d₁ bzw. d₂ zwischen den Düsen 6a, 7a und den Druckeinstellscheiben 6b, 7b durch Verschieben der letzteren. Weiter vorgesehen sind Druckspeiserohrstutzen 6d und 7d zum Zuspeisen eines Gases eines Drucks P₁ zum Umfang um die Düsen 6a bzw. 7a herum sowie Austrittsöffnungen oder -bohrungen 6e und 7e für einen Austritt des zugespeisten Gases.
In den Druckeinstellteilen 6 und 7 tritt das Gas aus den Druckkammern 3 bzw. 4 über die Düsen 6a bzw. 7a aus, wobei es sich mit dem Gas von den Druckspeisestutzen 6d bzw. 7d vermischt und aus den Austrittsbohrun gen 6e bzw. 7e austritt oder ausströmt, während es dem durch die Druckeinstellscheiben 6b bzw. 7b erzeugten Widerstand unterworfen ist. Die piezoelektrischen Stellglieder 6c und 7c besitzen jeweils einen Schichtaufbau aus einer Vielzahl von piezoelektrischen Elementen, und sie können durch Anlegen einer Spannung flexibel und in kleinsten Schritten in der Schichtungsrichtung (Pfeilrichtung) angesteuert werden.
Wenn dabei die piezoelektrischen Stellglieder 6c und 7c zur Verkleinerung der Abstände d₁ und d₂ zwischen den Düsen 6a, 7a und den Druckeinstellscheiben 6b, 7b zum Ausdehnen gebracht werden, wird der Öffnungsgrad der Düsen 6a bzw. 7a klein, so daß sich der Widerstand gegen ein Gasausblasen erhöht; infolgedessen kann der Druck in den Druckkammern 3 bzw. 4 hoch sein. Wenn dagegen die piezoelektrischen Stellglieder 6c und 7c zur Vergrößerung der Abstände d₁ und d₂ zum Zusammenziehen gebracht werden, wird der Öffnungsgrad der Düsen 6a bzw. 7a unter Verringerung des Widerstands gegen ein Gasausblasen groß; damit kann der in den Druckkammern 3 bzw. 4 herrschende Druck verringert werden. Dies bedeutet, daß durch Regelung der an die piezoelektrischen Stellglieder 6c, 7c angelegten Spannung und flexible Ansteuerung derselben der in den Druckkammern 3 bzw. 4 herrschende Druck eingestellt bzw. geregelt werden kann. Zur Verbesserung der Linearität der piezoelektrischen Stellglieder 6c, 7c kann ferner in nicht dargestellter Weise ein Vordruck in der Zusammenziehrichtung an die piezoelektrischen Stellglieder 6c, 7c mittels einer Feder o.dgl. angelegt werden.
Im folgenden ist die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Positioniervorrichtung beschrieben.
Zunächst wird über den Gasspeisestutzen 10 ein Gas in den Zwischenraum 5 zwischen dem Kolben 1 und dem Zylinder 2 eingeblasen, um den Kolben 1 und den Tisch 1a im Zylinder 2 hydrostatisch zu lagern. Durch das in die beiden Druckkammern 3, 4 einströmende Gas wird der in ihnen herrschende Druck erhöht; dieser Druck wird dabei aber durch die Druckeinstellteile 6, 7 auf eine konstante Größe geregelt. Wenn durch Regelung der Spannungsbeaufschlagung der piezoelektrischen Stellglieder 6c, 7c ein(e) Druckdifferenz bzw. Wirkdruck zwischen den Druckkammern 3 und 4 erzeugt wird, erfahren der Kolben 1 und der Tisch 1a eine Verschiebung entsprechend dem Wirkdruck.
Dabei erfolgt gemäß 3 die Positionierung des Kolbens 1 in der Weise, daß das vom Meßkopf 9 des Stellungsgebers generierte Signal durch einen Stellungszähler 11 als Absolutstellungsinformation benutzt und mit der im voraus eingegebenen Positionierinformation von einem Eingangsimpulszähler 13 verglichen wird, um die Spannungsanlegung von einer linearen Stromversorgung 14 an die piezoelektrischen Stellglieder 6c, 7c mittels eines Servoverstärkers 12 zu regeln. Wenn die Positionierinformationen von Positionszähler 11 und Eingangsimpulszähler 13 gleich groß sind oder der Unterschied dazwischen innerhalb eines bestimmten Bereichs liegt, werden die piezoelektrischen Stellglieder 6c, 7c zum Festhalten des Kolbens 1 mit gleich großen Spannungen beaufschlagt.
Wenn sich in diesem Zustand der Kolben 1 aus irgendeinem Grund in Richtung auf die Druckkammer 3 zu verschieben beginnt, wird vom Meßkopf 9 ein Signal geliefert, um die Differenz des Stellungszählers 11 negativ zu machen; die betreffenden piezoelektrischen Stellglieder 6c, 7c werden dabei zur Erhöhung des Drucks an der Seite der Druckkammer 3 angesteuert, d.h. sie werden in der Richtung betätigt, in welcher der Kolben zur Seite der Druckkammer 4 zurückgeführt wird. Wenn sich dagegen der Kolben 1 in Richtung auf die Druckkammer 4 zu verschieben beginnt, werden die jeweiligen piezoelektrischen Stellglieder 6c, 7c zur Erhöhung des Drucks an der Seite der Druckkammer 4 angesteuert und automatisch servo-geführt, so daß sich der Kolben 1 stets in der Sollstellung befindet. Der Servoverstärker 12 ist zudem ein Verstärker mit einem Nachführansprechelement (Proportion P, Integration bzw. Integral I, Differential D) zum Erhöhen der Spannung um die Differenz des Stellungszählers 11, um die piezoelektrischen Stellglieder 6c, 7c im Spannungsbetätigungsmodus (voltage-actuating form) anzusteuern.
Die beschriebene erfindungsgemäße Positioniervorrichtung weist somit einen Zylinderservotyp-Mechanismus auf, so daß die Steifheit in der Axialrichtung in der Größenordnung von 10 kg/μm liegen kann. Da dabei ferner der Kolben 1 im Zylinder 2 hydrostatisch gelagert ist, sind der dynamische Widerstand und die dynamische Gegenwirkkraft ziemlich klein, und da kein Gleit- oder Biegeabschnitt vorhanden ist, tritt keine zeitabhängige Änderung auf, so daß über einen langen Zeitraum hinweg eine stabile, zuverlässige, wiederholte Positionierung möglich ist. Da weiterhin der Tisch 1a einstückig mit dem Kolben 1 verbunden ist, kann die erfindungsgemäße Positioniervorrichtung mit kleinen Abmessungen ausgeführt sein.
Da ferner die Druckeinstellteile 6 und 7 aus Düsen 6a, 7a und Druckeinstellscheiben 6b, 7b gebildet sind, ist ihre Ausgestaltung im Vergleich zur Verwen dung eines Druckeinstellventils o.dgl. einfacher und kompakter. Da darüber hinaus die Gas-Austrittsmenge vergrößert sein kann, indem die Durchmesser der Düsen 6a, 7a groß gewählt werden, kann der Kolben 1 mit einer hohen Arbeitsgeschwindigkeit von 2 m/s und einer hohen Beschleunigung von 10 G arbeiten.
Bei Verwendung der erfindungsgemäßen Positioniervorrichtung für eine Werkzeugmaschine ist außerdem aufgrund der hydrostatischen Lagerung die Stoßdämpfungswirkung hoch, und die Positioniervorrichtung kann unter Messung der Lastkapazität arbeiten.
Im Hinblick auf hohe Steifheit, niedriges Gewicht, kleines Wärmeausdehnungsverhältnis und dgl: wird zudem als Werkstoff für die erfindungsgemäße Positioniervorrichtung vorzugsweise ein Keramikmaterial, wie Aluminiumoxid, Zirkonoxid, Siliziumkarbid oder Siliziumnitrid, gewählt.
In anderer Ausführungsform können die Druckeinstellteile 6, 7 gemäß 4(A) so ausgebildet sein, daß die Druckeinstellscheibe 6b und das piezoelektrische Stellglied 6c innerhalb der Düse 6 angeordnet sind, um den Abstand d₁ zwischen der Ausblasöffnung der Düse 6 und der Druckeinstellscheibe 6b einzustellen. Wahlweise kann gemäß 4(B) die an der Spitzen- bzw. Mündungsseite der Düse 6a angeordnete Druckeinstellscheibe 6b selbst durch ein piezoelektrisches Element geformt sein, das sich bei Anlegung einer Spannung durchbiegt; dabei kann der Abstand d₁ durch Anlegung der Spannung, um die Druckeinstellscheibe 6 sich durchbiegen zu lassen, eingestellt werden. Anstelle des piezoelektrischen Elements kann andererseits auch eine Schwingspule oder eine mit elektro magnetischer Energie arbeitende Verschiebeeinrichtung, wie ein Linearmotor o.dgl., verwendet werden.
Darüber hinaus können die Druckeinstellscheiben 6b, 7b mit einer bestimmten Frequenz in Schwingung versetzt werden. Obgleich bei der dargestellten Ausführungsform plattenförmige Druckeinstellscheiben 6b, 7b verwendet werden, sind sie nicht auf die Platten- bzw. Scheibenform beschränkt.
Weiterhin kann die Vorrichtung ohne die Druckspeisestutzen 6d und 7d betrieben werden, vielmehr kann durch Direkt-Zuspeisung des Drucks P₁ der in den Druckkammern 3 und 4 herrschende Druck vergrößert und damit die Ausblasgeschwindigkeit aus den Düsen 6a und 7a erhöht werden.
Wahlweise kann als jeweilige Druckeinstellscheibe 6 und 7 ein Drehservoventil verwendet werden. Dabei sind oder werden zwei zylindrische Körper mit Öffnungen in ihrer Seitenfläche miteinander kombiniert; das Öffnen und Schließen der Öffnungen erfolgt durch Drehen eines der zylindrischen Körper.
Im folgenden ist eine zweite Ausführungsform der Erfindung beschrieben, wobei den Teilen der vorher beschriebenen Ausführungsform entsprechende Teile mit den gleichen Bezugsziffern wie dort bezeichnet sind.
Bei der Positioniervorrichtung gemäß den 5 und 6 durchsetzt eine Achse 20 den den Tisch 21 enthaltenden Ausschnitt, um den Tisch 21 linear verschiebbar zu lagern. An den beiden Stirnflächen des Tisches 21 sind in der Axialrichtung flexible Dichtungsglieder 22, wie Metallbalgen o.dgl., zur Bildung von Druckkammern 3 und 4 vorgesehen; mit den jeweiligen Druckkammern 3 und 4 stehen Druckeinstellteile 6 bzw. 7 in Verbindung.
Im Tisch 21 ist ein Gasspeiserohrstutzen 10 angeordnet, über den Gas eines Drucks P₀ zum Zwischenraum 5 zwischen dem Tisch 21 und der Achse 20 zugespeist wird. An der Seitenfläche des Tisches 21 ist eine Linearskala 8 angeordnet, während an dem ihr gegenüberliegenden Abschnitt ein einen Stellungsgeber bildender Detektions- oder Meßkopf 9 angeordnet ist, so daß damit die Stellung des Tisches 21 erfaßt werden kann.
Wie bei der oben beschriebenen Ausführungsform, kann mittels der Druckeinstellteile 6 und 7 der in den Druckkammern 3 bzw. 4 herrschende Druck durch Einstellung des Öffnungsgrads von Düsen mittels der piezoelektrischen Stellglieder 6c und 7c eingestellt bzw. geregelt werden.
Im Betrieb dieser Positioniervorrichtung wird zunächst ein Gas über den Gasspeisestutzen 10 in den Zwischenraum zwischen Tisch 21 und Achse 20 eingeblasen, um den Tisch 21 hydrostatisch auf der Achse 20 zu lagern. Das eingeblasene Gas strömt in die Druckkammern 3 und 4 unter Erhöhung des Drucks darin, wobei der Druck durch die Druckeinstellteile 6 und 7 auf eine bestimmte Größe eingestellt wird. Wenn durch entsprechende Regelung der Spannungsanlegung an die beiden piezoelektrischen Stellglieder 6c und 7c eine Druckdifferenz bzw. ein Wirkdruck zwischen den beiden Druckkammern 3 und 4 erzeugt wird, verschiebt sich der Tisch 21 entsprechend dem Wirkdruck linear bzw. geradlinig.
Dabei erfahren die Dichtungsglieder 22 entsprechend der Verschiebung des Tisches 21 eine Ausdehnung oder Zusammenziehung in ihrer Axialrichtung; sie können daher aus flexiblen Metallbalgen o.dgl, bestehen.
Bei dieser Ausführungsform wird das über den Gasspeisestutzen 10 eingeblasene Gas vollständig über die Austrittsöffnungen 6e und 7e abgeführt, ohne in anderen Bereichen auszutreten. Diese Ausführungsform ist daher für Anwendungszwecke, die einen hohen Reinheitsgrad erfordern, oder für Verwendung in einer von der Luftatmosphäre verschiedenen Umgebung, z.B. in einem Vakuum, in Wasser o.dgl., geeignet.
In anderer Ausgestaltung kann die Achse 20 als Kreisbogen geformt sein; der Tisch 21 kann dabei auf dieser Achse 20 über einen Kreisbogen verschoben werden.
Nachstehend ist eine dritte Ausführungsform der Erfindung beschrieben.
Bei der in den 7(A) und 7(B) dargestellten Positioniervorrichtung ist ein im Innenraum des Zylinders angeordneter Drehkörper 31 in seiner Dreh- oder Rotationsrichtung bewegbar. Beim Drehkörper 31 sind zwei ungefähr fächerförmige Antriebsteile 31b an der Seitenfläche einer zylindrischen Drehachse 31a materialeinheitlich angeformt. Der Innenraum des Zylinders 32 weist zwei der Drehachse 31a des Drehkörpers 31 gegenüberstehende vorspringende Teile 32a auf. Die Antriebsteile 31b des Drehkörpers 31 sind in teilzylindrischen Abschnitten 32b in der Drehrichtung bewegbar. Durch Einsetzen des Drehkörpers 31 in diesen Innenraum, Vorsehen eines sehr kleinen Zwischenraums zwischen der Drehachse 31a und den vorspringenden Teilen 32a und Halten oder Lagern des Außenumfangs der Antriebsteile 31b in den teilzylindrischen Abschnitten 32b kann der Drehkörper 31 stabil bzw. sicher gelagert sein.
Die Zahl der Antriebsteile 31b des Drehkörpers 31 ist nicht auf zwei beschränkt, vielmehr können auch mehr als drei solche Teile angeformt sein.
Da die Kreiserstreckung der teilzylindrischen Abschnitte 32b des Innenraums größer ist als die der Antriebsteile 31b des Drehkörpers 31, sind zwischen beiden Abschnitten insgesamt vier Druckkammern 3a, 3b, 4a und 4b festgelegt. Druckeinstellteile 6 und 7 sind mit den Druckkammern 3a und 4a kommunizierend angeordnet, während innerhalb des Drehkörpers 31 Verbindungsbohrungen 31c und 31c geformt sind, die eine Verbindung zwischen den Druckkammern 3a und 3b einerseits und den Druckkammern 4a und 4b andererseits herstellen. In der im zentralen Schnitt gehaltenen Darstellung von 7(B) ist nur eine Verbindungsbohrung 31c zwischen den Druckkammern 3a und 3b sichtbar; auf gleiche Weise ist jedoch eine Verbindungsbohrung 31c zwischen den Druckkammern 4a und 4b vorgesehen. Infolgedessen werden die Druckkammern 3a und 3b sowie die Druckkammern 4a und 4b mit jeweils gleichem Druck beaufschlagt, so daß letztlich zwei Druckkammerarten geformt sind.
Die Druckeinstellteile 6, 7 entsprechen denen der vorher beschriebenen Ausführungsform. Der in den Druckkammern 3a und 4a herrschende Druck kann durch Spannungsbeaufschlagung der piezoelektrischen Stellglieder 6c bzw. 7c eingestellt werden.
Ferner ist im Zylinder ein Gasspeiserohrstutzen 10 zum Einblasen eines Gases in den Zwischenraum 5 zwischen dem Außenumfang des Antriebsteils 31b des Drehkörpers 31 und dem Innenumfang des zylindrischen Abschnitts 32b des Zylinders 32 vorgesehen. Außerdem weist der Drehkörper 31 eine Gasrille 31d zum Zuspeisen des eingeblasenen Gases zum gesamten Zwischenraum 5 an seiner Außenfläche sowie eine Verbindungsbohrung 31e zum Zuführen eines Gases zu dem dem Gasspeisestutzen 10 gegenüberliegenden Zwischenraum 5 auf.
Am einen Ende der Drehachse 31a des Drehkörpers 31 ist ferner ein Drehstellungsgeber 39 zum Feststellen der Drehstellung angeordnet, während ihr anderes Ende nach außen geführt ist und einen Tisch 31f bildet.
Im Betrieb dieser Positioniervorrichtung wird zunächst ein Gas in den Zwischenraum 5 zwischen dem Drehkörper 31 und dem Zylinder 32 über den Gasspeisestutzen 10 eingeblasen, um den Drehkörper 31 im Zylinder 32 hydrostatisch zu lagern. Das eingeblasene Gas strömt in die vier Druckkammern 3a, 3b, 4a, 4b ein unter Erhöhung des darin herrschenden Drucks; sein Druck wird mittels der Druckeinstellteile 6, 7 auf eine bestimmte Größe eingestellt bzw. geregelt. Wenn durch Regelung der an die beiden piezoelektrischen Stellglieder 6c und 7c angelegten Spannung eine Druckdifferenz bzw. ein Wirkdruck zwischen den beiden Arten von Druckkammern 3a, 3b einerseits und 4a, 4b andererseits erzeugt wird, dreht sich der Drehkörper 31 in der diesem Wirkdruck entsprechenden Drehrichtung.
Bei den Ausführungsformen gemäß den 5 bis 7 wird als Werkstoff für den Tisch 21, die Achse 20, den Drehkörper 31, den Zylinder 32 und dgl. vorzugsweise ein Keramikmaterial, wie Aluminiumoxid, Zirkonoxid, Siliziumkarbid oder Siliziumnitrid, verwendet.
Versuchsweise wurde die erfindungsgemäße Positioniervorrichtung gemäß den 1 und 2 angefertigt. Kolben 1 und Zylinder 2 wurden aus Aluminiumoxidkeramik (Al₂O₃: nicht weniger als 99 Gew.-%) hergestellt, die leicht ist und deren Form sich auch bei einem Temperaturanstieg kaum ändert. Der Kolben 1 wurde hohl ausgestaltet, um sein Trägheitsmoment möglichst klein zu halten. Der Koben 1 besaß quadratische bzw. rechteckige Form von 32 × 80 mm; die Druckbeaufschlagungsfläche betrug etwa 25,6 cm², und seine Hublänge lag bei 52 mm.
Die Anordnung war so getroffen, daß der Innendurchmesser jeder Düse 6a und 7a in den Druckeinstellteilen 6 bzw. 7 jeweils 16 mm betrug; die Hublänge der piezoelektrischen Stellglieder 6c und 7c betrug jeweils 20 μm; die Abstände d₁ und d₂ zwischen den Düsen 6a, 7a und den Druckeinstellscheiben 6b, 7b lagen bei einer Dauer- oder Einschwingspannung im Bereich von 5 – 10 μm .
Bei Einstellung des Drucks P₀ am Gasspeisestutzen 10 auf 4 kgf/cm² und des Drucks P₁ an den Druckspeisestutzen 6d und 7d der Druckeinstellteile 6 bzw. 7 auf 2 kgf/cm² war der Kolben 1 im Zylinder 2 hydrostatisch bzw. "schwebend" gelagert, und er konnte nach Maßgabe der dem Eingangsimpulszähler 13 eingespeisten Positionierinformationen frei verschoben werden.
Die Charakteristika der betreffenden Positioniervorrichtung sind in der nachstehenden Tabelle 1 angegeben. Die Antriebs- oder Ansteuergeschwindigkeit des Kolbens 1 konnte bis zu 200 mm/s bei einer Auflösung von 0,1 μm und bis zu 2 m/s bei einer Auflösung von 1 μm betragen.
Dabei wurde festgestellt, daß die Verschiebungslinearität des Kolbens 1 mit 0,4 μm/100 mm sehr klein und die Stampf-/Gierbewegung mit ±4 s/100 mm ebenfalls klein war; die Wiederholungs-Positioniergenauigkeit (2 σ) lag mit 0,3 μm hoch, so daß eine Positionierung mit hoher Genauigkeit möglich war. Die Steifheit in der Axialrichtung war mit 52 kg/μm² ebenfalls hoch.
Tabelle 1
Ebenso wurden die Positioniervorrichtung gemäß den 5 und 6 versuchsweise angefertigt und ihre Eigenschaften bestimmt. Dabei wurde festgestellt, daß der Biegewiderstand des Dichtungsglieds 22 0,2 g/μm und die Antriebskraft 12 kgf betrugen; die beibehaltene Steifheit besaß einen ausreichend großen Wert von 7,5 kgf/μm, und die Positioniergenauigkeit bzw. -abweichung betrug weniger als ±0,2 μm (± 2 σ).
Sämtliche Gleit- oder Verschiebeeigenschaften (Stampfen, Gieren, Rollen) waren nicht größer als 0,5 arc sec/100 mm.
Ferner wurden die Positioniervorrichtung gemäß 7 versuchsweise angefertigt und ihre Eigenschaften bestimmt. Dabei wurde festgestellt, daß die Positioniergenauigkeit bzw. -abweichung nicht größer als ±1 s (Winkel bzw. Bogensekunde) und die Positioniergeschwindigkeit nicht größer als 0,01 s/60° waren.
Wie vorstehend beschrieben, wird somit mit der Erfindung eine Positioniervorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform bereitgestellt. Dabei können die Positionier-Kennlinie in der Axialrichtung hoch und dynamischer Widerstand sowie dynamische Gegenwirkkraft vergleichsweise klein sein. Da die Positioniervorrichtung keinen Gleit- oder Biegeabschnitt enthält, tritt keine zeitabhängige Änderung ihrer Eigenschaften auf, so daß wiederholte Positionierung über einen langen Zeitraum hinweg mit hoher Zuverlässigkeit möglich ist.
Da die Druckeinstellteile aus Düsen und Druckeinstellscheiben bestehen, kann eine Positioniervorrichtung mit verschiedenen Eigenschaften bereitgestellt werden, die bei einfachem Aufbau kleine Abmessungen aufweisen und mit hoher Kolbengeschwindigkeit arbeiten kann.
Bei der zweiten Ausführungsform kann ein Gasaustritt aus vom Speiserohrstutzen und von der Austrittsöffnung verschiedenen Bereichen verhindert sein, so daß die Vorrichtung auch in einer von der Luftatmosphäre verschiedenen Umgebung einsetzbar ist.
Gemäß der dritten Ausführungsform wird eine Positioniervorrichtung mit Dreh- oder Rotationspositionierung bereitgestellt, bei welcher eine wiederholte Positionierung über einen langen Zeitraum hinweg mit hoher Zuverlässigkeit möglich ist.

Claims

Positioniervorrichtung, bei der ein Kolben (1) mit einem Tisch (1a) in einem Zylinder (2) angeordnet und geführt ist, bei der Druckeinstellmittel (6,7) an zwei durch den Kolben (1) voneinander getrennten Druckkammern (3,4) im Zylinder (2) vorgesehen sind, bei der ein Gas in einen Zwischenraum (5) zwischen dem Kolben (1) und dem Zylinder (2) eingeblasen werden kann, um den Kolben (1) hydrostatisch zu lagern, und bei der dieses eingeblasene Gas in die beiden Druckkammern (3,4) eingeleitet werden kann, um den Kolben (1) und den Tisch (1a) durch die Druckdifferenz oder den Wirkdruck zwischen den beiden Druckkammern (3,4) anzutreiben oder zu verschieben, wobei die an den beiden Druckkammern (3,4) vorgesehenen Druckeinstellmittel (6,7) Düsen (6a,7a) zum Einlassen von Gas in die Druckkammern (3,4) sowie Druckeinstellkörper (6b,7b) zum Ändern des Öffnungsgrads der Ausblasöffnung jeder Düse (6a, 7a) umfassen.
Positioniervorrichtung, bei der ein Tisch (21) auf einer Achse (20) in der Axialrichtung verschiebbar geführt ist, die Druckeinstellmittel (6,7) an zwei Druckkammern (3,4) aufweist, bei der in der Linearrichtung flexible Dichtungsglieder (22) an den Stirnflächen des Tisches (21) vorgesehen sind und bei der ein Gas in einen Zwischenraum (5) zwischen dem Tisch (21) und der Achse (20) eingeblasen werden kann, um den Tisch (21) hydrostatisch zu lagern und das Gas zum Antreiben oder Verschieben des Tisches (21) durch die (den) zwischen den beiden Druckkammern (3,4) erzeugte(n) Druckdifferenz oder Wirkdruck in die beiden Druckkammern (3,4) einzuleiten, wobei die an den beiden Druckkammern (3,4) vorgesehenen Druckeinstellmittel (6,7) Düsen (6a,7a) zum Einlassen von Gas in die Druckkammern (3,4) sowie Druckeinstellkörper (6b,7b) zum Ändern des Öffnungsgrads der Ausblasöffnung jeder Düse (6a, 7a) umfassen.
Positioniervorrichtung, bei der ein Drehkörper (31) mit einem rotierenden, zylindrischen Achsabschnitt (31a) und einem angeformten, ungefähr fächerförmigen Antriebsteil (31b) drehbar im Innenraum eines Zylinders (32) aufgenommen ist, bei der Druckeinstellmittel (6,7) an zwei zwischen dem Antriebsteil (31b) des Drehkörpers (31) und dem Innenraum des Zylinders (32) geformten Druckkammern (3a,4a,3b,4b) vorgesehen sind und bei der ein Gas in einen Zwischenraum (5) zwischen dem Drehkörper (31) und dem Zylinder (32) eingeblasen werden kann, um den Drehkörper (31) hydrostatisch zu lagern und das eingeblasene Gas in die Druckkammern (3a,4a,3b,4b) einzuführen und damit den Drehkörper (31) durch die (den) Druckdifferenz oder Wirkdruck zwischen den Druckkammern (3a,4a,3b,4b) in der Drehrichtung anzutreiben, wobei die an den Druckkammern (3a,4a,3b,4b) vorgesehenen Druckeinstellmittel (6,7) Düsen (6a,7a) zum Einlassen von Gas in die Druckkammern (3a,4a,3b,4b) sowie Druckeinstellkörper (6b,7b) zum Ändern des Öffnungsgrads der Ausblasöffnung jeder Düse (6a, 7a) umfassen.