DE2018483C3

DE2018483C3 - Vorrichtung zur präzisen Bewegung eines Körpers

Info

Publication number: DE2018483C3
Application number: DE2018483A
Authority: DE
Inventors: Gennady Vasilievitsch Galutva
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1969-04-24
Filing date: 1970-04-17
Publication date: 1980-06-04
Also published as: DE2018483B2; FR2046326A5; CS168095B1; US3684904A; DE2018483A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur präzisen Bewegung eines Körpers parallel zu einer Stützfläche mit wenigstens einem periodisch in Bewegungsrichtung elastisch verformbaren Bauteil, das mit dem zu bewegenden Körper fest verbunden ist und wenigstens zwei Abstützungen aufweist, die abwechselnd abgestimmt auf die Deformationsperiode des elastischen Bauteils, fest an die Stützfläche andrückbar sind. Eine solche Vorrichtung ist aus »Neues aus der Technik«, 196⁷, Heft 1, Seite 4 unter der Überschrift »Werkzeugverschiebung bei Werkzeugmaschinen auf piezoelektrischem Wege« bekannt.

Bei dieser bekannten Ausbildung ist das elastisch verformbare Bauteil ein Stab aus piezoelektrischem Material und kann an seinen beiden abgestützten Enden magnetisch festgeklemmt werden und wird dadurch schrittweise bewegt, daß bei Festlegung des ersten und Lösung des zweiten Endes des Stabes eine Längenänderung desselben herbeigeführt wird, wonach bei Lösung des ersten und Festlegung des zweiten Endes diese Längenänderung wieder rückgängig gemacht wird.

Nachteilig ist bei der bekannten Ausbildung, daß das gelöste Ende des Stabes nicht frei von Reibung bewegt werden kann. Auch der abgeschaltete Elektromagnet am. gelösten Ende des Stabes schleift über die Stützfläche, so daß zur Bewegung die Überwindung von Reibung erforderlich ist. Es ist in der genannten Quelle zwar noch die Möglichkeit einer piezoelektrischen Klemmung der Stabenden erwähnt; jedoch bleibt unklar, wie dies geschehen soll und die Möglichkeit einer reibungsfreien Bewegung des gelösten Stabendes ist nicht ersichtlich.

Die bei der bekannten Ausbildung auch auftretende Reibung bei der Bewegung des nicht festgelegten Endes des Stabes verhindert eine völlige Ausnutzung der kleinsten elastischen Deformationen des verformbaren Bauteils, da solche unter der Wirkung der Reibung entweder überhaupt nicht mehr Zustandekommen oder unkontrollierbar werden. Dadurch wird die Präzision der Bewegung reduziert auf die Genauigkeit von herkömmlichen Verschiebungsantrieben wie Schraube/ M utter oder dergleichen.

ίο Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Verformung zur präzisen Bewegung eines Körpers zu schaffen, deren Genauigkeit erheblich erhöht ist und mit der beliebig kleine Schritte gemacht werden können. Die erreichbare Genauigkeit soll bis hinunter auf Hunderstel eines Mikrons gehen, was besondere Bedeutung auf den Gebieten der Mikroelektronik und der Optik hat.

Ausgehend von der eingangs beschriebenen Ausbildung wird zur Lösung dieser Aufgabe erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß die Abstützungen durch elastische Verformbarkeit in senkrechter Richtung zu der Stützfläche auf dieser festlegbar und unter Bildung eines Spaltes von dieser abhebbar sind.

Bei einer solchen Ausbildung ist die gelöste Abstützung völlig frei von Reibung, so daß minimale Bewegungen des Körpers möglich sind, während sonst die Haftreibung bewirken würde, daß zunächst eine gewisse Kraft wirken muß bis die Bewegung beginnt und diese dann einen gewissen Mindestbetrag nicht unterschreiten kann, weil die Gleitreibung geringer ist als die Haftreibung. Mit der anmeldungsgemäßen Ausbildung sind mithin kleinste Präzisionsverschiebungen möglich, wie sie bei den Tischen von Koordinaten-Meßmaschinen, Mikroskopen, optisch-mechanischen Geräten, Fertigungsmaschinen in der Halbleiterindustrie und in der Weltraumforschung notwendig sein können.

In einer zweckmäßigen Weiterbildung der Erfindung sind in den Abstützungen für die elastische Verformbarkeit in senkrechter Richtung zu den Stützflächen piezoelektrische Wandler eingebaut.

Es kann zweckmäßig sein, wenn gegenüberliegend zur ersten Stützfläche eine zweite Stützfläche vorgesehen ist und die Abstützungen zwischen diesen festklemmbar und abhebbar sind.

Wenn Bewegungen in mehr als einer Richtung über eine Stützfläche notwendig werden, so ist es zweckmäßig, eine Mehrzahl von Abstützungen vorzusehen, an deren jeder zwei waagerechte Wandler angreifen, deren Wirkungsrichtungen parallel zur Stützfläche verlaufen und einen rechten Winkel einschließen.

Die Erfindung wird nachfolgend durch die Beschreibung von Ausführungsbeispielen an Hand der Zeichnungen weiter erläutert. Es zeigt

F i g. 1 eine Vorrichtung zur präzisen Bewegung eines Körpers mit einem Freiheitsgrad in geschnittener Seitenansicht;

Fig. 2denSchnitt 11-11 aus Fig. 1;

F i g. 3 eine Vorrichtung zur präzisen Bewegung eines Körpers mit drei Freiheitsgraden in Draufsicht;
F i g. 4 den Schnitt IVIV aus F i g. 3;
Fig.5 Diagramm der elektrischen Signale für die piezoelektrischen Wandler zur Bewegung des Körpers. Die in F i g. 1 gezeigte Vorrichtung zur präzisen Bewegung eines Körpers 1 besitzt zwei Abstützungen 2 und 3, die an den Enden des Körpers einstückig mit diesem ausgebildet sind. Jede Abstützung kann Stützflächen berühren, welche von den einander zugewandten

Oberflächen zweier Leisten 4, 5 gebildet sind. Die Stützfläche der Leiste 4 ist eben ausgeführt während die der Leiste 5 aus zwei unter einem Winkel zueinander liegenden Ebenen zusammengestellt ist ^'ie dies aus der Fig.2 ersichtlich ist Diese Form der Stützflächen begrenzt die Zahl der FreiheitsgrAde des bewegten Körpers auf einen, nämlich auf die translatorische Bewegung längs der Leisten.

Die Leisten 4 und 5 sind ortsfest mit einem soichen Abstand parallel zueinander angeordnet daß im unverformten Ruhezustand der Abstützungen 2 und 3 zwischen den Berührungsflächen derselben und den Stützflächen der Leisten 4 und 5 ein Spalt 6 in der Größenordnung von 0,5 bis 2,0 μπι vorhanden ist.

Innerhalb jeder Abstützungen 2,3 ist ein piezoelektrischer Wandler 8, 10 eingesetzt dessen Wirkungsrichtung rechtwinklig zu den Stützflächen verläuft und zwischen den Abstützungen sind im Körper 1 zwei piezoelektrische Wandler 7, 9 einsetzt, deren Wirkungsrichtung mit der Bewegungsrichtung des Körpers zusammenfällt

jeder der piezoelektrischen Wandler stellt einen Satz von Scheiben aus Piezokeramik dar, welche zu einem Stab zusammengestellt sind. An den Scheibenrändern sind Beläge vorgesehen, welche von einer nicht gezeigten Steuereinheit unter elektrische Spannung gesetzt werden können. Die Stäbe sind in Hülsen 11 aus einem Dielektrikum eingelegt und in entsprechenden Ausschnitten des Körpers 1 bzw. der Abstützungen 2 und 3 angeordnet. Die Stäbe sind an die inneren Flächen dieser Ausschnitte mit Hilfe von Keilpaaren 12 angedrückt.

Die Steuereinheit kann rechtwinklige und sägezahnförmige Impulse einstellbarer Amplitude, Dauer und Phasenlage erzeugen.

In Fig. 3 und 4 ist eine Vorrichtung zur präzisen Bewegung eines Körpers 13 mit drei Freiheitsgraden gezeigt; der Körper hat in der Ebene seiner Stützfläche 20 zwei translatorische und einen rotatorischen Freiheitsgrad.

Zum Unterschied von der in F ι g. 1 dargestellten Vorrichtung sind hier sechs Abstützungen 14 bis 19 vorhanden. Jede Abstützung hat die Form einer Stütze mit quadratischem Querschnitt. Die oberen Enden der Stützen 14—19 sind einstückig mit dem Körper 13 verbunden und ihre unteren Enden treten abwechselnd mit der Stützfläche 20 in Berührung, welche eine Ebene ist

Innerhalb jeder der Stützen 14 bis 19 ist eine Bohrung vorgesehen, in der senkrecht ein piezoelektrischer Wandler angeordnet und mittels eines Schraubenstopfens 21 zusammengedrückt ist In Fig.4 sind zwei solcher Wandler 22 und 23 zu sehen.

Außerdem greifen an jeder der Stützen 14 bis 19 in der Nähe von deren unterem Ende zwei piezoelektrische Signalwandler 24, 25; 26, 27; 28, 29; 30, 31; 32,33; 34, 35 an, deren Achsen zueinander unter 90° in der waagerechten Ebene verlaufen. Den Andruck dieser Wandler verwirklichen Keilpaare 36. Ist eine Stütze 14 bis 19 nicht durch den φ ihr sitzenden Wandler verformt, nämlich gelängt so bleibt zwischen ihrer Bodenfläche und der Stützfläche 20 ein Spalt 37.

Der Betrieb der Vorrichtung gemäß F i g. 1/2 verläuft wie folgt:

Um den Körper 1 zu bewegen, wird an die piezoelektrischen Wandler 7 bis 10 eine Spannung in Form von periodischen Impulsen angelegt. Die Impulsform und Phasenvefhältnisse zwischen den Impulsen

sind qualitativ in F i g. 5 angedeutet, wo auf der Abzisse die Zeit t und längs der Ordinate die Spannung U am piezoelektrischen Wandler aufgetragen ist Die Impulse 38 beaufschlagen den piezoelektrischen Wandler 7, Impulse 39 den Wandler 8, Impulse 40 den Wandler 9 und Impulse 41 den Wandler 10.

Das in Fig.5 wiedergegebene Impulsdiagramm entspricht einer kontinuierlichen Besvegung des Körpers 1 in der Richtung, wie sie in F i g. 1 mit dem Pfeil A angegeben ist Am piezoelektrischen Wandler 8 wird die Spannung 39 in Form eines rechteckigen Impulses angelegt die infolge des Piezoeffektes eine axiale Dehnung des Stabes und damit auch dienelastische Verformung der Abstützung 2 verursacht Infolge der elastischen Verformung werden die Berührungsflächen der Abstützung unter Verschwinden der Spalte 6 an die Stützflächen der Leisten 4 und 5 angedrückt. Die Abstützung 2 ist in Fig. 1, 2 in dieser Stellung dargestellt, in welcher sie zwischen den Leisten 4, 5 festgeklemmt ist.

In diesem Zusammenhang wird dem piezoelektrischen Wandler 7 eine stetig ansteigende Spannung 38 zugeführt, die durch elastische Verformung der beidseitig des Wandlers 7 hegenden Wände des Körpers 1 in waagerechter Richtung eine Rechtsbewegung desselben mit der Abstützung 3 zusammen in Richtung des Pfeiles A bewirkt. Während dieser Bewegung bleibt die Abstützung 3 außer Berührung mit den Stützflächen der Leisten 4, 5 und ist deshalb keiner Reibung ausgesetzt

Während dieser Phase wird auf den piezoelektrischen Wandler 9 eine schnell steigende Spannung 40 gegeben, die sich dann monoton zu vermindern beginnt. Dieser Umstand verursacht eine Linksbewegung der freien Abstützung 3, dem Festkörper 1 entgegen, die sich der betrachteten Rechtsbewegung überlagert. Sobald die Geschwindigkeit dieser Bewegung der der Rechtsbewegung des Festkörpers 1 gleich ist, bleibt die freie Abstützung 3 in bezug auf die Stützflächen der Leisten 4,5 unbeweglich.

Während dieser kurzen Zeitspanne Tj, nachdem der abnehmende Kurvenast der Spannung 40 am piezoelektrischen Wandler 9 eingesetzt hat, kann dann die Spannung 41 an den piezoelektrischen Wandler 10 gelegt werden, der das Andrücken auch der Abstützung 3 an die Stützflächen der Leisten 4, 5 bewirkt. Das Andrücken vollzieht sich rucklos und reibungsfrei, da während dieser Phase die Abstützung 3 unbeweglich bleibt. Während einer gewissen Zeit h bewegt sich der mittlere Teil des Körpers 1 mit zwei angedrückten Abstützungen nur durch elastische Verformungen in waagerechter Richtung.

Als dann wird die Spannung vom piezoelektrischen Wandler 8 weggenommen, wodurch zwischen den Stützflächen der Leisten 4, 5 und der Abstützung 2 der Spalt 6 entsteht. Nach einem kurzen Intervall {3 wird nun die Spannung 38 am piezoelektrischen Wandler 7 schnell auf Null fallen gelassen, was eine Verschiebung der freien Abstützung 2 nach rechts bewirkt. Die Bewegung der freien Abstützung 2 erfolgt dabei auch ohne Reibung, weil sie zu diesem Augenblick die Stützflächen der Leisten 4,5 nicht berührt.

Nach einem schnellen Abfall der Spannung 38 am piezoelektrischen Wandler 7 steigt diese wieder langsamer an, wodurch die freie Abstützung 2 wieder ihre Position gegenüber den Stützflächen der Leisten 4, 5 beibehält. Infolgedessen kann die Spannung 39 wieder an den piezoelektrischen Wandler 8 angelegt werden

und während der Zeitspanne U bewegt sich der Körper 1 wieder mit zwei angedrückten Abstützungen 2 und 3, wonach die Spannung 41 vom piezoelektrischen Wandler 10 weggenommen und das obengeschriebene Spiel wiederholt wird. Auf diese Weise erfolgt die kontinuierliche Bewegung des Körpers 1, wobei deren Konstanz durch eine Überlagerung der Arbeitsgänge der beiden Abstützungen 2, 3 erreicht wird. Die Bewegungsgeschwindigkeit 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 μπη, was bei einer Frequenz 10 kHz Bewegungsgeschwindigkeit von mehreren Hunderten mm/min erreichen läßt. Eine stufeniose Einstellung der Bewegungsgeschwindigkeit wird in einem weiten Bereich (vom Maximalwert bis auf Null) nur durch Verkleinerung der Impulsamplitude vorgenommen, was für die Anlagen mit automatischer Steuerung von besonderer Bequemlichkeit ist. Durch die Beseitigung der Reibung und durch die Möglichkeit, kleinste Schritte zu verwirklichen, kann eine Genauigkeit der Bewegung bzw. des Anhaltens in der Größenordnung von 10~³ μπι erzielt werden.

Die Vorrichtung zur präzisen Bewegung von Körpern mit drei Freiheitsgraden gemäß Fig.3 und 4 wird wie folgt betrieben:

Die rechteckigen Impulse beaufschlagen die sechs senkrechtstehenden piezoelektrischen Wandler, die in den Bohrungen der Abstützungen 14 bis 19 sitzen, und die sägezahnförmigen Impulse die zwölf waagerechtliegenden piezoelektrischen Wandler 24 bis 35.

Wenn z. B. gleichzeitig die drei senkrechten piezoelektrischen Wandler in den Abstützungen 14,16 und 18 beaufschlagt werden, so dehnen diese sich und auf Grund ihrer Abstützungen hebt sich der Körper 13 hoch und zwischen den Abstützungen 15, 17, 19 und der Stützfläche 20 entsteht ein Spalt 37, der der Größe der elastischen Verformung der Abstützungen 14, 16, 18 gleich ist. In dieser Stellung bewirkt eine gleichzeitige Spannungsabgabe an die drei waagerechten piezoelektrischen Wandler 24, 28, 33 bzw. 25, 29, 32 der Abstützungen 14,16,18 eine Bewegung des Körpers 13 gegenüber der Tragfläche 20. Das Vorhandensein zweier waagerechter piezoelektrischer Wandler an

κι jeder Abstützung gibt die Möglichkeit, die Bewegung des Körpers 13 längs der zwei Koordinaten in der waagerechten Ebene zu bewerkstelligen, sowie durch entsprechende Steuerung eine Rotation zu bewirken.

Die Festlegung des Körpers auf jeweils drei

ti gedehnten Abstützungen geschieht dabei durch sein Eigengewicht. Wenn dies nicht ausreichen sollte, so kann die Reibungskraft zwischen den festgelegten Abstützungen und der Stützfläche 20 durch Magnetkräfte verstärkt werden, da auf Grund der Konstruktion

2« sichergestellt ist, daß die freien Abstützungen reibungsfrei gehen.

Die Bewegungen dieser Vorrichtung sind so genau dosierbar, daß zur Bewegungsablesung übergenaue Anlagen, z. B. Laser-Interferometer anzuwenden sind.

is Bei den beiden vorstehenden Beschreibungen ist von der Verwendung piezoelektrischer Wandler ausgegangen, jedoch kann anstelle des piezoelektrischen Effekts auch der Magnetostriktionseffekt und andere Erscheinungen Verwendung finden.

in Es sei noch bemerkt, daß bei der zweiten Ausführung der Vorrichtung die Möglichkeit besteht, eine konstante Höhenlage des Körpers aufrechtzuerhalten, indem man die Temperaluränderungen in den Abstützungen durch Überlagerung einer entsprechenden konstanten Kom-

J5 ponente in das Signal an die senkrechten piezoelektrischen Wandler ausgleicht.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur präzisen Bewegung eines Körpers parallel zu einer Stützfläche mit wenigstens einem periodisch in Bewegungsrichtung elastisch verformbaren Bauteil, das mit dem zu bewegenden Körper fest verbunder, ist und wenigstens zwei Abstützungen aufweist, die abwechselnd, abgestimmt auf die Deformationsperiode des elastischen Bauteils, fest an die Stützfläche andrückbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstützungen (2,3; 14 bis 19) durch elastische Verformbarkeit in senkrechter Richtung zu der Stützfläche (4; 20) auf dieser festlegbar und unter Bildung eines Spaltes (6; 37) von dieser abhebbar sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in den Abstützungen für die elastische Verformbarkeit in senkrechter Richtung zu den Stützflächen piezoelektrische Wandler (8, 10; 14 bis J9) eingebaut sind.

3. Vorrichtung nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß gegenüberliegend zur ersten Stützfläche (4) eine zweite Stützfläche (5) vorgesehen ist und die Abstützungen (2, 3) zwischen diesen festklemmenbar und abhebbar sind.

4. Vorrichtung nach Ansprüchen 1 und 2, gekennzeichnet durch eine Mehrzahl von Abstützungen (14 bis 19), an deren jeder zwei waagerechte Wandler (24 bis 35) angreifen, deren Wirkungsrichtungen parallel zur Stützfläche verlaufen und einen rechten Winke! einschließen.