DE2018483A1

DE2018483A1 - Vorrichtung zur präzisen Bewegung eines Festkörpers

Info

Publication number: DE2018483A1
Application number: DE19702018483
Authority: DE
Inventors: der Anmelder M ist
Original assignee: GALUTWA G; MODESTOW J; POSELOK M; PRESNYAKOW G; RYASANTSEW A
Current assignee: GALUTWA G; MODESTOW J; POSELOK M; PRESNYAKOW G; RYASANTSEW A
Priority date: 1969-04-24
Filing date: 1970-04-17
Publication date: 1971-04-01
Also published as: FR2046326A5; CS168095B1; DE2018483C3; DE2018483B2; US3684904A

Description

VORRICHTUNG ZUR PRÄZISEN BEWEGUNG EINES FESTKÖRPERS

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet des Feinmaschinenbaus und betrifft ^ Vorrichtungen

zur präzisen Bewegung eines Festkörpers, wie sie beispielsweise bei Koordinatenmeßmaschinen, Mikroskopen, optisch-mechanischen Geräten, in der technologischen Ausrüstung der Halbleiter in-

und

dustrie ^v an Geräten zur Weltraumforschung Verwendung finden.

Bekannt sind Vorrichtungen zur präzisen Bewegung eines Festkörpers, wie ζ·Β. Koordinatentische der Koordinatenmeßmaschinen) bei welchen eine bewegliche Schiebeplatte mit der Tragfläche durch Gleitpaare ( mittels Schwalbenschwanzführungen) Oder Rollenpaare (Kugel- oder Rollenanlagen) ver-

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hunden wird. Die Bewegung der Schiebeplatte erfolgt durch einen Antrieb, der üblich einen B-Motor, ein Getriebe und ein Gewindepaar enthält (s.Ananjin S,G., Atscherkan N.S. und andere: "Metallbearbeitende Werkzeugmaschinen", Maschgis, 1967, S.423 - 444).

In Koordinatentischen erwähnter Bauart findet während der Bewegung eine Roll- oder Gleitreibung sowohl in den Berührungsstellen der Schiebeplatte mit der Tragfläche als auch im Antrieb statt. Darüber hinaus ist im Getriebe und Gewindepaar des Antriebs ein größeres oder kleineres Spiel zu verzeichnen, das sich beim dynamischen Verhalten der ganzen Anlage insbesondere während der Umkehrung auswirkt.

Ein komplexer Einfluß der Spiele und der Reibung führt dazu, daß sich die Bewegung der Schiebeplatte bei deren Anhalten im Bereich der sich dem JSTullwert annähernden Bewegungsgeschwindigkeiten ungleichmäßig, ruckweise vollzieht, wodurch die Genauigkeit der Stillsetzung bis auf die Größen von 1-4 pm. herabgesetzt wird.

Das Ziel der vorliegenden Erfindung besteht in der Entwicklung einer Vorrichtung zur präzisen Bewegung eines Pestkörpers, bei der die erwähnten Nachteile beseitigt werden.

Der Erfindung ist die Aufgabe zugrundegelegt, eine solche Vorrichtung zur präzisen Bewegung eines Festkörpers zu entwickeln, in welcher der Reibungseinfluß auf die Genauigkeit der Verstellung unter Erhaltung eines großen Bewegungsbereichea völlig beseitigt oder ißögliehstjstark herabgesetzt wäre.

Die gestellte Aufgabe wird dadurch gelöst» daß die er-

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f indungsgemi|ße Vorrichtung zur präzisen Bewegung eines Festkörpers in bezug auf die Tragfläche zumindest zwei Abstützungen aus einem elastischen Werkstoff, jede von-denen mit dem einen Ende am zu bewegenden Festkörper starr befestigt ist, sowie ein Mittel besitzt, das eine derartige elastische Verformung der Abstützungen zustandebringt, daß die freien Enden von diesen sich in bezug auf die Tragfläche sowohl in Richtung des Abtrennens von der Tragfläche als auch in BewBgungsrichtung des Festkörpers abwechselnd bewegen.

Zweckmäßigerweise enthält das genannte Mittel eine die Bewegungsfolge der freien Enden der Abstützungen sichernde Steuereinheit und zumindest je zwei an der Abstützung befestigte Wandler der Signale der Steuereinheit in - Bewegungen, wobei die einen von diesen derart angeordnet sind, daß sie eine Bewegung der freien Abstützungsenden in Richtung der* .„ Abtrennung von der Tragfläche, und die anderen so» daß sie...:-

.;.. eine Bewegung in Bewegungsrichtung des Festkörpers gewährleisten.

die

Als Wandler der Signale der Steuereinheit invjeweilige

Bewegung können piezoelektrische, magnetostriktive oder andere Wandler zur Anwendung gelangen.

Nachstehend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 erfindungsgemäße Vorrichtung zur präzisen Bewegung e ine s Festkörpers mit einem Fre ihe it sgrad ,in Gesamt ans i cht;

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Fig. 2 Schnitt II - II der Pig. I;

Fig. 3. erfindungsgemäße Vorrichtung zur präzisen Bewegung eines Festkörpers mit drei Freiheitsgraden, in Gesamtansicht:

Fig. 4 Schnitt IV - IV der Fig. 3;

Fig. 5 Diagramm der elektrischen Signale ^fur die piezoelektrischen Signalwandler aus der Steuereinheit.

Die Vorrichtung zur präzisen Bewegung eines Festkörpers (Fig. 1) besitzt zwei Abstützungen 2 und 3, die am Festkörper 1 starr befestigt sind und mit Tragflächen, welche hier die Oberflächen der Leisten 4 und 5-sind, in Berührung treten. Die Oberfläche der Leiste 4 ist eben ausgeführt, während die der Leiste 5 aus zwei unter einem Winkel zueinander liegenden Ebenen zusammengestellt ist, wie dies aus der Fig. 2 ersichtlich ist. Diese Form üßX Tragflächen begrenzt die Freiheit sgradzahl des bewegten Festkörpers auf eine Bewegungsfreiheit (translatorische Bewegung). Die Leisten 4 und 5 sind ortsfest in einem solchen Zwischenabstand parallel zueinander

Ruhezustand eingestellt,daß im unverformten ^v der Abstützungen

zwischen den Berührungsflächen der Abstützungen 2 und 3 und den Flächen der Leisten 4 und 5 ein Spalt 6 in der Größenord-

von 2

nung^v0,5-2,0 j/m vorhanden ist. Innerhalb der Abstützungen,

3 sind die piezoelektrischen Signalwandler 7» 8 bzw. 9» IO starr befestigt. Jeder der piezoelektrischen Wandler stellt einen Satz von Scheiben aus Piezokeramik dar, welche zu einem

den

Stab zusammengestellt sind. An^vScheibenrändern sind Beläge

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vorgesehen^an welche die Spannung von der Steuereinheit angelegt wird (in Pig. 1 nicht angedeutet). Die Stäbe sind in die Hülsen 11 aus einem Dielektrikum eingelegt und in entsprechenden, Ausschnitten der Abstützungen 2 und 3 angeordnet. Die Stäbe sind nun an die inneren Flächen der Ausschnitte der Abstützungen 2, 3 mit Hilfe von Keilpaaren 12 herangedrückt.

Als Steuereinheit kann jeder Erzeuger von rechtwinkligen und sägeförmigen Impulsen genutzt werden, der die Einstellung der Impulsdauer und relativen Phasenverschiebung der Impulse gestattet.

Die Fig. 3 und 4 geben eine Abänderung der Vorrichtung zur präzisen Bewegung des Festkörpers 13 mit drei Freiheitsgraden (Bewegung in einer Ebene) wieder. Zum Unterschied von der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung sind in dieser Vorrichtungs"~ sechs Abstützungen 14 bis 19 vorhanden. Jede Abstützung

einer

weist die Form*Stütze von Quadratguerschnitt auf. Die oberen Enden der Stützen 14-19 sind am Festkörper 13 starr befestigt und

Enden
die unteren^der Stützen 14 bis 19 treten abwechselnd mit einer Tragfläche 20 in Berührung, welche eine Ebene ist. Innerhalb jeder der Stützen 14 bis. 19 ist eine Bohrung vorgesehen, in der senkrecht der piezoelektrische Signalwandler angeordnet und mittels eines Schraubenpfropfens 21 zusammengedrückt ist· Aus der Fig. 4 sind zwei solche Wandler 22 und 23 zu ersehen. Außerdem werden an jede der Stützen 14 bis 19 an deren Unterteil noch je zwei piezoelektrische Signalwandler 24, 2j?j 26, 27; 28, 29; 30,. 31} 32, 33; 34, 35; herangedrückt, deren Achsen zu-

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einander unter * 90° in der waagerechten Ebene verlaufen. Den Andruck dieser Wandler verwirklichen die Keilpaare 36» wie dies in der ersten Ausführung bereits beschrieben ist. Falls eine Verformung der Stützen 14 bis 19 nicht auftritt, so besteht zwischen den Berührungsflächen von diesen und der !Fläche

20^v Spalt 37.

Die in Fig. 1, 2 wiedergegebene Torrichtung arbeitet wie folgt. .

Um den Festkörper 1 kontinuierlich zu bewegen, wird an die piezoelektrischen Wandler 7 bis 10 von der Steuereinheit aus eine Spannung, in Form von periodischen Impulsen angelegt. Die Impulsform und Phasenverhältnisse zwischen den Impulsen sind qualitativ in Fig. 5 angedeutet, wo längs der Absaisse sich die Zeit t und längs der Ordinate sich die Spannung U Im piezoelektrischen Wandler verändern. Die Impulse 38 werden auf denpiezoelektrischen Wandler 7 und 39 auf 8,40 auf 9,41 auf 10 gegeben.

Das in Fig. 5 wiedergegebene Impulsbild entspricht einer kontinuierlichen Bewegung des Festkörpers 1 in der Richtung, wie sie in Fig. l'mit dem Pfeil A angegeben ist. Am piezoelektrischen Signalwandler 8 wird die Spannung 39 in Form eines rechteckigen Impulses angelegt, die infolge des reziproken Piezoelektroeffektes eine axiale Ausdehnung des Stabes und damit auch die elastisch® Verformung der Stütze 2 verursacht. Der piezoelektrische Signalwandler entwickelt dabei eine Kraft, die genügt, die sfcarren Abstützungen auch noch zu deformieren. Infolge der elastischen Verformung werden die Berührungsflächen

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der Abstützung 2 an die Tragflächen der Leisten 4, 5 angedrückt, wobei die Spalte 6 beseitigt werden. Die Abstützung 2 ist in Fig. 1, 2 in der Stellung dargestellt, in welcher sie an die Tragflächen der Leisten 4, 5 angedrückt ist. In diesem Zustand wird dem piezoelektrischen Signalwandler 7 eine stetig ansteigende Spannung 38 gegeben, die durch elastische Verformung des waagerechten Abschnittes der Abstützung 2 eine Rechtsbewegung des Festkörpers 1 mit der Abstützung 3 zusammen in Richtung des Pfeiles A bewirkt; zu diesem Augenblick bleibt die Abstützung 3 außer Berührung mit den Tragflächen der Leisten 4, 5 d.h. sie ist dabei keiner Beibung ausgesetzt.

Zum gleichen Zeitpunkt wird an den piezoelektrischen Signalwandler 9 eine Höchst spannung: 40 gegeben, die sich dann monoton zu vermindern beginnt. Dieser Umstand verursacht eine Linksbewegung des freien Endes der Abstützung 3, dem Festkörper 1 entgegen. Sobald die Geschwindigkeit dieser Bewegung der der Hechtsbewegung des Festkörpers 1 gleich ist, bleibt dabei die Berührungsfläche der Abstützung 3 in bezug auf die Tragflächen der Leisten 4, 5 unbeweglich.

Aus diesem Grunde wird nach kurzer Zeitspanne t^_f nachdem der abnehmende Kurvenast der Spannung 40 am piezoelektrischen Wandler 9 eingesetzt hat, eine Gabe der Spannung 41 an den piezoelektrischen Wandler 10 möglich, der das Andrücken auch der Abstützung 3 an die Tragflächen der Leisten 4, 5 bewirkt. Das Andrücken vollzieht sich rucklos, da in diesem Augenblick die Abstützung 3 gegenüber den Tragflächen der Lei-

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sten 4, 5 unbeweglich bleibt. Während einer gewissen Zeit t₂ bewegt sich der Pestkörper 1 mit zwei herangedrückten Abstützungen nur durch elastische Verformung der waagerechten Abschnitte der Abstützungen 2, 3·

Alsdann wird die Spannung vom piezoelektrischen Wandler 8 abgenommen, wodurch zwischen den Tragflächen der Leisten 4, 5 und der Abstützung 2 der Spalt 6 entsteht. Nach einem geringen Zeitabstand t, wird nun die Spannung 38 vom piezoelektrischen Wandler 7 abgenommen, was eine Verschiebung des freien Endes der Abstützung 2 nach rechts, seine Annäherung an den Festkörper 1 verursacht, der sich dabei infolge der elastischen Verformung der Abstützung 3 nach rechts bewegt. Die Bewegung des freien Endes der Abstützung 2 erfolgt dabei auch ohne Reibung, weil sie zu diesem Augenblick die Tragflächen der Leisten 4, 5 nicht berührt.

Nach einem relativ schnelleren Abfall bis auf das Minimum der Spannung 38 am piezoelektrischen Wandler 7 setzt eine monotone Zunahme der Spannung 358 von neuem ein, wodurch das freie Ende der Abstützung 2 wieder unbeweglich gegenüber den Tragflächen der Leisten 4, 5 ist. Infolgedessen läßt sich nach einer gewissen Zeit die Spannung 39 an den piezoelektrischen Wandler 8 anlegen, und während der Zeitspanne t^ bewegt sich der Festkörper 1 wieder mit zwei herangedrückten Abstützungen 2, 3j wonach die Spannung 41 vom piezoelektrischen Wandler 10 abgenommen und das obenbeschriebene Spiel wiederholt wird.

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rung der Arbeitsgänge der beiden Abstützungen 2, 5 erreicht • wird. Die Bewegungsgrenzen bestimmt die Länge der Tragflächen, die Bewegungsgeschwinäigkeit aber hängt von der Frequenz und der Amplitude der von der Steuereinheit kommenden Impulse ab, Eine Spannung von etwa 500 V entspricht bei den ausgeführten Vorrichtungen einer Verformung von ca 1 p, was bei einer Frequenz 10 kHz die Bewegungsgeschwind,igkeiten von mehreren Hunderten mm/min erreichen läßt. Eine stufenlose Einstellungder Bewegungsgeschwindigkeit wird in einem weiten Bereich (vom Maximalwert bis auf Mull) nur durch Verkleinerung der Impulsamplitude vorgenommen, was für die Anlagen mit automatischer Steuerung von besonderer Bequemlichkeit ist. Auf diese Weise ermöglicht die erfindungsgemäße Vorrichtung durch Beseitigung der Reibung und durch eine Möglichkeit, schrittweise Feinbewegung zu erzielen, eine Genauigkeit der Stillsetzung in der von _

Größenordnung^v10"^ um zu erhalten·

Die überaus winzige Größe der elastischen Verformungen, die die Bewegung zu "quanti—sieren" erlaubt, gibt eine Möglichkeit j gleichzeitig die Verformung der Abstützungen in drei Eichtungen zustandezubringen und eine Variante der Vorrichtung zur präzisen Bewegung vbn Festkörpern mit drei Freiheitsgraden / herzustellen.

Die Arbeitsweise dieser Vorrichtung, wie sie in Fig. 3» dargestellt ist, ist wie folgt·

Die rechteckigen Impulse werden den sechs senkrecht stehenden piezoelektrischen Signalwandlern, die in den Bohrungen der Abstützungen 14 bis 19, angeordnet sind, und die sägeförmigen

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den zwölf waagerechtliegenden piezoelektrischen Wandlern 24

die bis 35 zugeführt. Zur gleichen Zeit wird eine Spannung an drei senkrechten piezoelektrischen Wandler in den Abstützungen 14,16, 18 angelegt. Infolge der elastischen Verformung dieser Abstützungen hebt sich der Festkörper 13 hoch und zwischen den Abstützungen 15, 17, 19 und der Tragfläche 20 entsteht ein Spalt 37, der der Größe der elastischen Verformung der Abstützungen 14 „ 16j 18 gleich ist. In solcher Stellung bewirkt gleichzeitige Spannungsgabe an die drei waagerechten piezoelektrischen Wandler 24, 28, 33 bzw. 25« 29, 32 der Abstützungen 14, 16, 18 eine Bewegung des Festkörpers 13 gegenüber der Trag- i fläche 20. Bas Vorhandensein fan jeder Abstützung]zweier waagerechter piezoelektrischer Wandlerv gibt ein© Möglichkeit, die Bewegung das Festkörpers 13 längs der zwei Koordinaten in der waagerechten Ebene au bewerkstelligen. Der Bewegungsbereich wird durch die Abmessungen der Tragfläch© 20 bestimmt·

Die Festlegung des Festkörpers an drei Abstützungen er-

das

folgt durch^Sigeagewieht· des Festkörpers; jedoch kann bei •Bedarf ., . als Traf lache zur Vergrößerung der Reibung

an^lerührungsstellen ©in© Magnetplatte - i?©ira6zt uad der Festkörper aus einem magnetischen Werkstoff hergestellt werden.

Diese Vorrichtung kann in einem geschlossenen %stem mit Rückführung naoh beiden Koordinaten und dem Schwenkwinkel um die Seakroslrtaohs® verwendet werden. Ia dieser Hinsicht

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sind zur Bewegungsablesung übergenaue Anlagen, z.B. Laser-Interferometer anzuwenden.

In beiden beschriebenen Ausführungen der Vorrichtung war zur Erhaltung der notwendigen Verformung der reziproke piezoelektrische Effekt benutzt; jedoch können zu diesem Zweck auch andere Erscheinungen, z.B. die Magnetostriktion Verwendung finden.

Die Vorteile der vorliegenden Erfindung bestehen darin, daß die erfindungsgemäße Vorrichtung zur präzisen Bewegung eines Festkörpers es ermöglicht, die Roll- und Gleitreibung sowohl in den Berührungsstellen mit der Tragfläche als auch im Antrieb unter Erhaltung eines großen Bewegungsbereich^shöchstmöglich herabzusetzen oder sogar vollkommen zu beseitigen. Dabei ist die Vorrichtung in ihrem Aufbau und nach, dem Herstellungsverfahren eine einfachere im Vergleich zu den bisher bekannten, insbesondere in der zweiten Ausführung, welche einen sehr komplizierten Koordinatentisch mit doppelt-

Bntfernungen stöckigen Führungen besitzt. Da dabei die - ^v von den Tragflächen bis an die Arbeitsfläche des Festkörpers verkleinert werden, verkleinern sich auch die Wärmedehnungen in der Vorrichtung. Es sei bemerkt, daß bei der zweiten Ausführung der Vorrichtung eine Möglichkeit besteht, eine konstante Höhenstellung des Festkörpers aufrechtzuerhalten, indem man die Temperaturänderungen in den Abstützungen durch Einführen einer entsprechenden konstanten Komponente in das Signal an die senkrechten piezoelektrischen Wandler ausgleicht. Die erfin-

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dungsgemäße Vorrichtung ermöglicht es grundsätzlich, eine Ablesung von hoher Genauigkeit, welche mit Hilfe von Laser-Interferometern zu erreichen ist, zu realisieren. Darüber hinaus ermöglicht die erfindungsgemäße Vorrichtung, die Bewegung in einem weiten GesGhwindigkeitsbereich (von 0 bis Hunderte mm/min) zu verwirklichen, ohne daß dabei in die Antriebskette irgendwelche zusätzliche Werke eingefügt werden.

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Claims

. PATENTANSPRÜCHE:

(T) Vorrichtung zur präzisen Bewegung eines Festkörpers

eine · -

in bezug auf ^v Tragfläche, dadurch g e k e η nz β i c h η e t, daß sie zumindest zwei Abstützungen (2, 3) aus einem elastischen Werkstoff, von denen jede, mit ihrem einen Ende an dem zu bewegenden Pestkörper (1) starr befestigt ist, und ein Mittel enthält, das eine derartige elastische Verformung der Abstützungen (2, 3) sicherstellt, daß die freien Enden derselben sich abwechselnd in bezug auf die Tragfläche (4, 5) sowohl in Richtung der Trennung von der Tragfläche als auch in Bewegungsrichtung des Festkörpers (1) verschieben,
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, d a d u r c h gekennzeichnet, daß das genannte Mittel eine Steuereinheit ist, die die Bewegungsfolge der freien Enden der Abstützungen (2, 3) zustandebringt, und die Wandler (7 bis 10) der Signale der

denen Steuereinheit in eine Bewegung besitzt, von^vzumindest je zwei auf jeder Abstützung befestigt sind, wobei die einen von diesen Wandlern(8, 10) so angeordnet sind, daß sie die Bewegung/der freien Enden der Abstützungen in Richtung des Abtrennens von Üer Tragfläche (4, 5) ermöglichen, und wobei die anderen (7« 9) durch ihre Anordnung die Verschiebung der freien Enden der Abstützungen (2, 3) in Bewegungsrichtung des Festkörpers (1) gewährleisten.

3· Vorrichtung nach Anspruch 2, d ad urch gekennz e i ο h η e t, daß als Wandler (7 bis 10) der Signale der Steuereinheit in^ev ^ß Bewegung piezoelektrische Wandler angewandt werden· 10 9314/1371