DE2814578A1

DE2814578A1 - Positioniervorrichtung fuer bauteile mit geregelter nachfuehrung

Info

Publication number: DE2814578A1
Application number: DE19782814578
Authority: DE
Inventors: Akira Kanai; Masakazu Miyashita
Original assignee: Citizen Watch Co Ltd
Current assignee: Citizen Watch Co Ltd
Priority date: 1977-04-07
Filing date: 1978-04-05
Publication date: 1978-10-12
Also published as: GB1597681A; US4193644A; DE2814578C2

Description

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Beschreibung

Die Erfindung beschäftigt sich mit einer Positioniervorrichtung, welche automatisch eine Position eines hydrostatisch gelagerten, zu überwachenden Bauteils definiert, wie etwa ein bewegbarer Körper, eine Rotationswelle, o. dgl.

Um einen bewegbaren Körper* zur Bestimmung oder Korrektur seiner Position wenig zu bewegen, ist im allgemeinen die Verwendung einer Positioniervorrichtung erforderlich, welche den bewegbaren Körper ohne toten Gang hin- und herführen kann, die keiner Störung unterliegt, und die den bewegbaren Körper unter variablen Belastungen nicht in Schwingungen versetzt, die ferner dynamisch außerordentlich belastbar und robust ist und die einen sehr kleinen Verschiebebetrag des bewegbaren Körpers gesteuert ausführen kann.

Die Positioniervorrichtung kann den beweglichen Körper ohne toten Gang hin- und herbewegen, wenn sie unter den folgenden Bedingungen betrieben wird. Eine Vorspannung der maximalen äußeren Last wird zwischen den positionierenden Abschnitt der Positioniervorrichtung und einem positionierten Abschnitt derselben in Antriebsrichtung ausgeübt. Die Größe des toten Ganges wird zuerst gemessen, und die Größe des somit vorher gemessenen toten Ganges wird kompensiert, wenn der bewegliche Körper hin- und hergefahren wird, was beispielsweise bei numerisch gesteuerten Antriebssystemen der Fall ist. Im ersteren Falle nimmt die den Antriebsmechanismus belastende Vorspannung durch die überschußlast zu und erhöht die elastische Deformation des

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Antriebsmechanismus¹, was zu einem erhöhten Positionierfehler führen kann. Im letzteren Falle ist es unmöglich, das reguläre Spiel aufgrund der Veränderung in der Belastung zu korrigieren.

Um eine sehr kleine Bewegungsgröße des beweglichen Körpers vernünftig steuern zu können, hat man den beweglichen Körper durch geringfügige Deformation eines Lagerteiles mit Unterstützung einer eingestellten Federkraft oder elektromagnetischen Kraft bewegt, oder indem eine elastische Deformation eines magnetostriktiven Elementes aufgrund
seiner Magnetostriktion verwendet wurde. Jedoch beruht die erstgenannte Vorrichtung auf dem Prinzip einer Ausnutzung der elastischen Deformation des Lagerteiles
aufgrund äußerer Kraft, so daß die Positioniervorrichtung in ihrer Robustheit und in ihrer Positionier-Genauigkeit unter variabler Last entsprechend begrenzt ist.

Die letztgenannte Vorrichtung ist im Hinblick auf die
Robustheit des Lagerteiles der erstgenannten Vorrichtung überlegen, unterliegt jedoch stets einer Hysterese, die
in dem aus magnetischem Material bestehenden Lagerteil
induziert wird, und zwar aufgrund seiner magnetischen
Eigenschaften, die beim Hin- und Hergehen wirken.

Zur Überwindung der vorstehend erläuterten Nachteile kann man daran denken, ein hydrostatisches Lager zur Lagerung eines Positioniermechanismus¹ zu verwenden. Das hydrostatische Lager ist mit zwei hydrostatischen Puffern versehen, die an gegenüberliegenden Seiten des beweglichen Körpers oder des Lagerteils angeordnet sind und mit Drücken versorgt werden, die um einen eingestellten Wert sich voneinander unterscheiden, wodurch der bewegliche Körper um weniges verschoben werden kann· Ein solches hydrostatisches

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Lager ist robust und zeigt praktisch keine Hysterese, so daß es für die geringfügige Bewegung eines beweglichen Körpers geeignet ist. Jedoch bildet die vorstehend erwähnte Vorrichtung einen geschlossenen Regelkreis, so daß ihre Positioniergenauigkeit durch die Genauigkeit der Einstellung des dem hydrostatischen Lager zugeführten Druckes direkt begrenzt ist.

Um die Abweichung einer von einem hydrostatischen Lager gelagerten rotierenden Welle von einem Rotationszentrum zu reduzieren und damit Schwingungen der rotierenden Welle; zu beseitigen, ist es außerdem üblich, die drehende Welle und ihr Lager mit hoher Genauigkeit nachzubearbeiten. Die auf diese Weise erzielbare Genauigkeit hängt jedoch von der Genauigkeit der Nachbearbeitung der Teile ab, so daß die Rotationsgenauiqkeit durch die Bearbeitungsgenauigkeit beschränkt ist. Wenn die rotierende Welle in Umdrehung versetzt wird, wird außerdem ein dynamischer Druck in dem Lager induziert und sie neigt dazu, das Rotationszentrum zu verschieben.

Wenn verschiedene Arten bewegbarer Körper, wie etwa ein Tisch einer Werkzeugmaschine, längs einer Führungsfläche bewegt werden, neigen die beweglichen Körper dazu, die Bewegungsgenauigkeit unter dem Einfluß der Konfigurationsgenauigkeit der beweglichen Körper selbst oder ihrer Führungsfläche zu vermindern.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Positioniervorrichtung zu schaffen, die eine kleine Bewegung, beispielsweise in der Größenordnung von 1/100 μΐη eines beweglichen Körpers oder einer rotierenden Welle ohne Spiel beim Hin- und Hergehen bestimmen kann, und ohne daß dabei Schwingungen unter variablen Belastungen erzeugt werden, und die dynamisch hochbelastbar ist und sehr robust ist. Die nach der Erfindung zu schaffende

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Positioniervorrichtung soll automatisch eine Bewegungsgenauigkeit eines bewegbaren Körpers oder einer drehenden Welle o. dgl. korrigieren können, unabhängig von anderen Umständen, wie etwa der Bearbeitungsgenauigkeit der konstitutiven Bauteile etc.

Dazu schafft die Erfindung eine Positioniervorrichtung bestehend aus einer Basis, einem mit der Basis verbundenen Halteteil, einem Paar hydrostatischer Puffer in dem Halteteil oder beweglichen Körper, welche einen in dem Halteteil zu positionierenden Gegenstand hydrostatisch lagern, wobei ein vorgegebener SpaJLt dazwischen ausgebildet ist, einem Verschiebedetektor, der an dem Halteteil ausgebildet ist und einen Bewegungsbetrag des Gegenstandes relativ zum Halteteil feststellt, einem Referenzsignalgenerator zur Erzeugung eines Referenzsignals, einem Differentialverstärker zur Abgabe eines Differenzsignals für die Differenz zwischen einem Verschiebesignal aus dem Verschiebedetektor und dem aus dem Referenzsignalgenerator gelieferten Referenzsignal, und einem Servo-Steuerventil zur Versorgung der hydrostatischen Puffer mit einem Betriebsdruck, der dem aus dem Differentialverstärker kommenden Differenzsignal entspricht.

Weitere Ziele, die mit der Erfindung erreicht werden, weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung im Zusammenhang mit den beigefügten Figuren hervor. Es zeigen:

Fig. 1 einen schematischen Längsschnitt durch

eine Ausführungsform einer mit den Merkmalen der Erfindung ausgestatteten Positioniervorrichtung;

Fig. 2 eine perspektivische schematische Darstellung eines in der Vorrichtung nach Fig. 1 verwendeten Servo-Steuerventils;

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Pig. 3 eine grafische Darstellung zur Erläuterung des Gleichgewichtszustands der Vorrichtung aus Fig. 1;

Fig. 4A,Kurvenzüge zur Erläuterung der Verschie-4B, 5A bungsbeträge und des Fehlers bezüglich und 5B eines eingestellten Korrekturgrößensignals;

Fig. 6 einen schematisehen Längsschnitt einer weiteren Ausführungsform der mit den Merkmalen der Erfindung ausgestatteten · Positionxervorrxchtung;;

Fig. 7 einen Schnitt längs der Linie A-A aus Fig. 6;

Fig. 8 einen Schnitt längs der Linie B-B aus Fig. 6;

Fig. 9 einen schematischen Querschnitt einer weiteren Ausführungsform einer mit den Merkmalen der Erfindung ausgestatteten Positioniervorrichtung;

Fig. 10 einen schematischen Querschnitt der in Fig. 9 dargestellten Vorrichtung, die mit einem Positionierungs-Korrekturmechanismus gemäß Fig. 6-8 ausgerüstet ist;

Fig. 11 einen schematischen Querschnitt durch eine weitere Ausführungsform einer mit den Merkmalen der Erfindung ausgestatteten Positioniervorrichtung; und

Fig. 12 einen Querschnitt längs der Linie C-C aus Fig. 11.

Die in Fig. 1 dargestellte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Positioniervorrichtung weist ein Halteteil 3 auf, das auf einer Fundamentplatte 2 als Basis befestigt ist, und drei hydrostatische Puffer 4, 5 und 6, die in dem Halteteil 3 ausgebildet sind. Diese hydrostatischen Puffer 4, 5, 6 dienen zur hydrostatischen Lagerung eines beweglichen Körpers 1 in dem Halteteil 3 mit einem vorbestimmten Spalt zum Lagerteil 3, wobei der bewegliche Körper ein

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Gegenstand ist, dessen Stellung bestimmt werden soll. Ein Servo-Steuerventil 7 mit einstufigem Verstärker und ohne Ventilspule ist vorgesehen. Das Servo-Steuerventil 7 wird so gesteuert, daß es den dem rechten hydrostatischen Puffer 4 und linken hydrostatischen Puffer 5 zugeführten

und
Druck damit die Kleinverschiebung des beweglichen Körpers in horizontaler, durch den Pfeil A in Fig. 1 angedeuteten Richtung steuert. Der hydrostatische Puffer 6 an der Unterseite des Halteteils 3 ist über eine Drossel oder einen ähnlichen Durchflußbegrenzer 8 auf konstanten Druck P₃ gesetzt und wirkt als hydrostatischer Haltemechanismus zum Halten des beweglichen* Körpers 1 an einer eingestellten Vertikalstellung in dem Halteteil 3 mit einem Spalt zum Halteteil. Das Halteteil 3 ist an seiner Oberseite mit einem Verschiebedetektor 9 ausgerüstet, der eine Verschiebung des beweglichen Körpers 1 relativ zum Halteteil 3 feststellt. Der Verschiebedetektor 9 weist gegen die horizontale Richtung des beweglichen Körpers 1, d.h. entgegen der Richtung, in welcher die Position des beweglichen Körpers 1 bestimmt werden soll. Ferner ist ein Differentialverstärker 10 vorgesehen, der mit dem Verschiebedetektor 9 sowie mit einem Referenzsignalgenerator verbunden ist und von dem Verschiebedetektor 9 ein Ausgangssignal H und von dem Referenzsignalgenerator 33 ein Referenzsignal Hc empfängt. Ein Ausgangssignal aus dem Differentialverstärker 10 wird über eine Kompensationsschaltung 11 einem Servo-Verstärker 12 des Servo-Steuerventils als Steuersignal I zugeleitet.

In der vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Vorrichtung arbeitet das Servo-Steuerventil 7 so, daß es Arbeitsdrücke den gegenüberliegenden hydrostatischen Puffern 4 und 5 differentiell in Abhängigkeit vom Steuersignal I zuführt, die es zur Bewegung des beweglichen Körpers 1

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aufnimmt. Wenn der bewegliche Körer 1 keiner äußeren Kraft unterliegt, müssen die den beiden hydrostatischen Puffern 4 und 5 zugeführten Drücke ausgeglichen sein, nachdem der bewegliche Körper 1 sich um eine durch das Referenzsignal Hc definierte Strecke bewegt hat.

Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Servo-Steuerventils 7, das das vorstehend Beschriebene leisten kann. Ein Drehmomentmotor hat eine Armatur 71, dessen Magnet und Spule in Fig. 2 nicht dargestellt sind. An der Armatur 71 sind Prallklappen 72, 73 befestigt. Die Bezugszeichen 74, 75, 76, 77 bezeichnen Düsen, 17a, 17b bezeichnen Steueröffnungen, 17c bezeichnet eine Senkenöffnung und 17d bezeichnet eine Druckluftzuführöffnung. Die Steueröffnungen 17a und 17b sind mit den hydrostatischen Puffern 4, 5 aus Fig. 1 verbunden, und die Senkenöffnung 17c ist normalerweise geschlossen.

Wenn das von dem Servo-Verstärker 12 dem Servo-Steuerventil 7 zugeführte Steuersignal I den Wert Null hat, sind der Druck und die Durchflußmenge des Arbeitsmediums, beispielsweise des von den Steueröffnungen 17a, 17b gelieferten Öls,jeweils miteinander gleich, wodurch der bewegliche Körper 1 an einer Mittenstellung zwischen den hydrostatischen Puffern 4 und gestoppt wird. Wenn das Steuersignal I aus dem Servo-Ver stärker 12 zum Servo-Steuerventil 7 nicht Null beträgt, werden die Armatur 71 wie auch die Prallklappen 72, 73 so verschoben, daß ein Spalt zwischen der Prallklappe 72 und der Düse 75 zunimmt und ein Spalt zwischen der Prallklappe 73 und der Düse 76 abnimmt, ynd umgekehrt. Als Folge davon werden die den Steueröffnungen 17a und 17b zugeführten Drücke unausgeglichen und erzeugen daher eine Druckdifferenz zwischen den hydrostatischen Puffern 4 und 5. Daher bewegt sich der bewegliche Körper 1 in einer der Richtungen, bis die Druckdifferenz zwischen den hydrostatischen Puffern

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7a, 7b den Wert Null einnimmt. Wenn die Druckdifferenz zwischen den hydrostatischen Puffern 7a, 7b den Wert Null annimmt, wird der bewegliche Körper 1 wieder angehalten.

Wie man aus der vorstehenden Beschreibung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht, ist sie mit einer Steuerschleife ausgerüstet, die die Größe des Referenzsignals Hc mit dem Bewegungsbetrag des beweglichen Körpers 1, definiert durch das Ausgangssignal H aus dem Verschiebedetektor 9, vergleicht und die Bewegung des beweglichen Körpers 1 solange korrigiert, bis die genannten beiden Größen gleich sind. Die Stopp-Stellung des beweglichen Körpers 1 fällt daher im wesentlichen vollständig mit der Größe des Referenzsignals Hc zusammen.

Das oben erwähnte Servo-Steuerventil 7 kann durch ein Durchfluß-Steuerventil mit einem Spulen-Ventilkörper ersetzt werden. In diesen Falle können zwei Servo-Steuerventile enthaltend jeweils ein Drei-Wege-Ventil oder ein Vier-Wege-Ventil, verwendet werden. Alternativ kann ein Servoventil verwendet werden, das einen Vier-Wege-Ventilkörper enthält, dessen Deckfläche eingestellt ist. Jedoch macht die Verwendung üblicher Servo-Steuerventile einschließlich des Spulen-Ventilkörpers es nicht möglich, eine Genauigkeit zu erzielen, die diejenige erreicht, welche mit dem Servoventil gemäß Fig. 2 beispielsweise erhalten werden kann. Es ist daher zweckmäßig, das Servoventil ohne Spulen-Ventilkörper zu verwenden.

Wenn im Betrieb der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung das Referenzsignal Hc dem Differentialverstärker 10 zugeführt wird, führt der Differentialverstärker 10 eine Subtraktion zwischen dem Referenzsignal Hc und dem Ausgangssignal H aus dem Verschiebedetektor 9 durch, welches der

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relativen Verschiebung zwischen dem beweglichen Körper 1 und dem Halteteil 3 entspricht, und erzeugt ein Fehlersignal und verstärkt dieses. Das so verstärkte Fehlersignal wird durch die Kompensationsschaltung 11 und den Servo-Verstärker 12 dem Servo-Steuerventil 7 als Steuersignal I zugeführt.

Das Servo-Steuerventil 7 steuert ein Verhältnis des Druckes, der aus einer Druckluftquelle Psu dem rechten hydrostatischen Puffer 4 zugeführt wird, zu dem Druck, der von der Druckluftquelle Psu dem linken hydrostatischen Puffer 5 zugeführt wird, so, daß die Differenz zwischen dem Verschiebesignal H und dem Referenzsignal Hc den Wert Null annimmt, und daß der bewegliche Körper 1 an der dem Referenzsignal entsprechenden Stelle positioniert wird.

Das bedeutet, daß die Positioniervorrichtung gemäß Fig. einen Fehler bezüglich des Referenzsignals Hc feststellt und eine dem Fehler entsprechende Kraft durch die hydrostatischen Puffer 4, 5 dem beweglichen Körper 1 aufprägt, welcher der Gegenstand, dessen Stellung zu bestimmen ist, entspricht, so daß die Stellung des beweglichen Körpers korrigiert wird. Als Ergebnis schafft die erfindungsgemäße Vorrichtung "ein Verschiebe-Steuersystem, das eine Kraft als Stellgröße verwendet" und kann den beweglichen Körper mit außerordentlich hoher Präzision positionieren.

Die zwischen Differentialverstärker 10 und Servo-Verstärker 12 geschaltete Kompensationsschaltung 11 arbeitet als Einstellung einer Eigenschaft, beispielsweise des Dauerzustands der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Mit der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung ausgeführte Versuche ergaben die folgenden Ergebnisse.

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63,	8 cm²
50	μΐη
40	kg/cm²
400	mV/μπι

Bei den Versuchen wurden die folgenden Bauteile unter den nachstehend aufgeführten näheren Umständen verwendet:

Gewicht des beweglichen Körpers 1 20 kg

Wirksame Schnittfläche jedes hydrostatischen Puffers 4, 5

Spaltlänge zwischen beweglichem Körper 1 und Halteteil 3

Dem Servo-Steuerventil 7 zugeführter Druck

Empfindlichkeit des Verschiebedetektors 9

Fig. 3 zeigt das Testergebnis, welches den Gleichgewichtszustand der Vorrichtung aus Fig. 1 erläutert. In Fig. 3 ist ein Fehler £ auf der Ordinate als Funktion der Größe des Referenzsignals Hc aufgetragen, welche auf der Abszisse abgetragen ist. Das Referenzsignal Hc wurde dem Differentialverstärker 10 als Spannungssignal entsprechend dem Verschiebebetrag der Bestimmungsposition zugeführt, die von dem Verschiebe-Ausgangssignal des Verschiebedetektors 9 festgestellt wurde, wobei der Fehler t als Ausgangssignal aus dem Differentialverstärker IQ festgestellt wurde. Wie man aus Fig. 3 entnimmt, ist die die Beziehung zwischen der Größe des Referenzsignals Hc und dem Fehler £ darstellende Kurve nicht rechtwinklig. Wenp die Größe des Referenzsignals Hc erhöht wird, nimmt der Fehler c ab. Wenn das Referenzsignal Hc 24 μΐη übersteigt, ist es unmöglich, die Position des beweglichen Körpers 1 festzustellen. Umgekehrt, wenn die Größe des Referenzsignals Hc abnimmt, wird der Fehler größer. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann den beweglichen Körper 1 über eine Strecke von - 24 μΐη bewegen, wenn der Spalt zwischen beweglichem Körper 1 und dem Halteteil 3 einen Wert von 50 μΐη annimmt. Der bewegliche Körper kann mit einer Genauigkeit von 0,06% des Fehlers £ bezüglich der maximalen Größe des Referenzsignals Hc von 24 μΐη positioniert werden, und mit einer Genauigkeit von 0.17% des Fehlers £ bezüglich der Größe des Referenzsignals Hc von 2 μπι.

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Fig. 4A zeigt die Größe H der Verschiebung des beweglichen Körpers 1, wenn die Größe des Referenzsignals Hc den Wert von -0,01 /im annimmt.

Fig. 4B zeigt den Fehler £ r wenn die Größe des Referenzsignals Hc den Wert -0,01 μπι annimmt. Wie man aus Fig. 4A und 4B erkennt, ist es möglich, die Stellung des beweglichen Körpers 1 innerhalb eines Fehlerbereichs von 0,0002 μπι zu bestimmen, wenn die Größe des Referenzsignals Hc den Wert

- 0,01 μπι besitzt.

Fig. 5A zeigt die Größe H der Verschiebung des beweglichen Körpers 1, wenn die Größe des Referenzsignals Hc den Wert

- 0,05 μπι annimmt. Fig. 5B zeigt den Fehler £, wenn die Größe des Referenzsignals Hc den Wert ±0,05 μπι annimmt. Wie man aus Fig. 5A und 5B erkennt, ist es möglich, die STellung des beweglichen Körpers 1 innerhalb eines Fehlerbereichs von 0,0004 μπι zu bestimmen, wenn die Größe des Referenzsignals Hc den Wert -0,05 μκι annimmt.

Es ist unmöglich, die statische Robustheit der Vorrichtung durch experimentelle Tests direkt zu messen. Jedoch weist die erfindungsgemäße Vorrichtung ein Rückkopplungsregelsystem auf, so daß die Robustheit extrem hoch in der Größenordnung von 10³ kg/μΐη ist.

Wie vorstehend erläutert, kann die erfindungsgemäße Positioniervorrichtung Drücke regeln, die den hydrostatischen Puffern zugeführt werden, so daß der Spalt zwischen dem beweglichen Körper und den hydrostatischen Puffern verändert und damit der bewegliche Körper nur um weniges bewegt werden kann, und sie kann ferner die Größe der Bewegung des beweglichen Körpers feststellen und sie so rückkoppeln, daß die Differenz zwischen der Größe der so festgestellten Verschiebung und der Größe des Referenzsignals korrigiert wird, wodurch sich der bewegliche Körper exakt präzise

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positionieren läßt. Wenn ein Verschiebedetektor mit hoher Empfindlichkeit verwendet wird, ist es möglich, einen beweglichen Körper mit einem Fehler in der Größenordnung von 0,0001 μπι zu positionieren, wenn die Größe des Referenzsignals in der Größenordnung von 0,01 μΐη liegt, wobei die Biegefestigkeit in der Größenordnung von 10³ kg/μΐη in Antriebsrichtung des beweglichen Körpers liegt. Folglich liefert die Erfindung einen wesentlichen Beitrag zur Weiterentwicklung der Technik insbesondere auf dem Felde der Werkzeugmaschinen.

Fig. 6 bis 8 zeigen eine andere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Positioniervorrichtung. In Fig. 6 bis 8 bezeichnet das Bezugszeichen 1 eine an ihrem linken Ende durch eine Gruppe von vier hydrostatischen Puffern 12a, 12b, 12c, 12d und an ihrem rechten Ende durch eine Gruppe von vier hydrostatischen Puffern 13a, 13b, 13c, 13d gelagerte rotierende Welle. Die rotierende Welle 1 wird von einem nicht dargestellten Antriebsmechanismus in Umdrehung versetzt.

Gemäß Fig. 7 lagert ein Paar gegenüberliegender hydrostatischer Puffer 12a und 12b die Welle 1 in Y-Richtung und die übrigen hydrostatischen Puffer 12c und 12d lagern die Welle 1 in X-Richtung.

In ähnlicher Weise lagert ein Paar gegenüberliegender hydrostatischer Puffer 13a und 13b die Welle in Y-Richtung und die restlichen hydrostatischen Puffer 13c und 13d lagern die Welle 1 in X-Richtung, wie Fig. 8 zeigt.

Wie Fig. 6 und 7 erkennen lassen, werden die Drücke Pa und Pb von einem Servo-Steuerventil 7 durch feste Drosseln 15a und 15b den hydrostatischen Puffern 12a und 12b zugeführt.

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Ein konstanter Druck Ps2 wird durch feste Drosseln 15c und 15d den hydrostatischen Puffern 12c und 12d zugeführt. Ein konstanter Druck Ps3 wird über Drosseln 16a bis 16d den hydrostatischen Puffern 13a bis 13d zugeführt.

Für die Feststellung einer Verschiebung der Rotationswelle 1 in radialer Richtung ist ein Verschiebedetektor vorgesehen. Außerdem ist ein Drehwinkeldetektor 18 zur Feststellung eines Drehwinkels θ der Rotationswelle 1 vorgesehen. Der von dem Drehwinkeldetektor 18 festgestellte Drehwinkel θ wird einem Korrektursignalgeber 33' zugeführt.

Der Korrektursignalgeber 33' enthält gespeichert ein vorgegebenes Korrektursignal ΔYc und gibt ein Synchronisations-Korrektur signal Ayc(Θ) an einen Differentialverstärker 10 in Abhängigkeit von einem von dem Drehwinkeldetektor 18 gelieferten Rotationswinkelsignal Θ.

Das KorrektursignalΔYc definiert eine Korrekturgröße pro eine Umdrehung der Rotationswelle 1, die nötig ist, um die Rotationswelle 1 ohne Abweichung von einem Rotationszentrum umlaufen zu lassen, und wird von einem Korrektursignalgeber 33' in Abhängigkeit von dem Rotationswinkelsignal θ ausgelesen, so daß ein Synchronisations-Korrektursignal ZIyc(Θ) erzeugt wird, das den Korrekturbetrag einer Abweichung vom Rotationszentrum repräsentiert.

Das Synchronisations-Korrektursignal ^Yc(Θ) wird dem Differentialverstärker 10 zugeleitet und führt zu einem Fehlersignal zwischen dem Synchronisations-Korrektursignal ^Yc(G) und einem Ausgangssignal C^Y(Θ) , das von dem Verschiebedetektor 17 geliefert wird und einen Verschiebebetrag der Rotationswelle 1 repräsentiert. Das auf diese Weise erhaltene Fehlersignal wird vom Differentialverstärker 10 durch eine Kompensationsschaltung 11 und einem Servo-

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Verstärker 12 dem Servo-Steuerventil 7 zugeleitet. Die Kompensationsschaltung 11 arbeitet zur Verbesserung ihrer Eigenschaften, beispielsweise des Gleichgewichtszustandes der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Das Servo-Steuerventil 7 steuert ein Verhältnis des Druckes Pa, der dem hydrostatischen Puffer 12a zugeführt wird, zu dem Druck Pb, der dem hydrostatischen Puffer 12b zugeführt wird, entsprechend dem Steuersignal I, das aus dem Servo-Verstärker 12 ankommt. Das Servo-Steuerventil 7 wird mit einem konstanten Druck Ps1 versorgt. Wenn das Verhältnis des Druckes Pa zum Druck Pb sich verändert, kommen die Kräfte zwischen den hydrostatischen Puffern 12a und 12b außer Gleichgewicht. Als Folge wird die Rotationswelle 1 in Y-Richtung so bewegt, daß sie ihre Stellung in Y-Richtung verändert. Diese Verschiebung der Rotationswelle 1 in Y-Richtung wird im Vergleich mit dem Korrektursignal ZkYc in solche Richtung ausgeführt, daß die Verschiebung des Rotationszentrums der Rotationswelle 1, d.h. die Abweichung von ihrem Rot-ationszentrum, eliminiert wird. Im Ergebnis ist es möglich, die Abweichung der Rotationswelle 1 von dem Rotationszentrum automatisch mit außexOrdentlich hoher Genauigkeit zu korrigieren.

Der Verschiebebetrag der Rotationswelle 1 in Y-Richtung wird von dem Verschiebedetektor 17 festgestellt, der das Ausgangssignal 4Y(Θ) abgibt und dadurch kann dann die Abweichung vom Rotationszentripa korrigiert werden. Die Differenz zwischen dem Ausgangssignal /Jy(9) und dem Synchronisations-Korrektursignal ^Ye (Θ) und dem Korrektursignalgeber 33' wird dem Servo-Steuerventil 7 als sein Steuersignal I zugeführt.

Aufgrund der geschlossenen Schaltung kann die vorstehend beschriebene Korrekturoperation die·Abweichung vom

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Rotationszentrum in dem Rotationssystem korrigieren, und zwar eine Abweichung des Rotationszentrums aufgrund des hydrodynamischen Effekts und der Verschiebung des Rotationszentrums, was durch eine auf die Rotationswelle 1 einwirkende äußere Kraft bewirkt wird, und zwar wird· die Korrektur mit äußerster Genauigkeit und auf sehr stabile Weise ausgeführt.

Die in den Fig. 6 bis 8 dargestellte Ausführungsform sowohl der Feststellung der Verschiebung wie der Korrektur der Positionsabweichung der Rotationswelle 1 werden nur in Y-Richtung ausgeführt. Es ist zweckmäßig, sowohl die Feststellung der Verschiebung wie die Korrektur der Position der Rotationswelle 1 auch in X-Richtung zur Korrektur einer rotatorischen Oszillation mit einer höheren Genauigkeit auszuführen.

Fig. 9 und 10 zeigen eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Positioniervorrichtung, die die Position einer Rotationswelle 1 sowohl in Y-Richtung wie auch in X-Richtung leisten kann. In der vorliegenden Ausführungsform ist ein Verschiebedetektor 17' zur Feststellung der Verschiebung der Rotationswelle 1 in X-Richtung zusätzlich zu dem oben erwähnten Verschiebedetektor 17 zur Feststellung der Verschiebung der Rotationswelle 1 in Y-Richtung vorgesehen (Fig. 9). Außerdem ist eine Positioniervorrichtung zur Korrektur der Abweichung der Rotationswelle 1 in X-Richtung vorgesehen, die die gleiche ist wie die vorstehend beschriebene Korrekturvorrichtung für eine Korrektur in Y-Richtimg (Fig. 6). Beide Mechanismen sind in Aufbau und Betriebsweise im wesentlichen gleich, so daß die entsprechenden Bauteile der Pogitions-Korrekturvorrichtung für eine Korrektur in X-Richtung mit den gleichen, jedoch mit einem Strich versehenen Bezuggzeichen versehen sind wie die entsprechenden Teile aua der Positioniervorrichtung

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zur Korrektur der Abweichung der Rotationswelle 1 in Y-Richtung, wie man aus Fig. 10 erkennt.

Außerdem können die hydrostatischen Puffer 13a bis 13d zur Lagerung des rechten Endes der Rotationswelle 1 gemäß Fig. 6 und 8 auch in der Positioniervorrichtung zur Korrektur der Abweichung der Rotationswelle 1 in Y-Richtung oder auch in derjenigen zur Korrektur der Abweichung in X- und Y-Richtung vorgesehen sein, so daß die rotatorische Oxzillation an beiden Enden der Rotationswelle 1 korrigiert werden kann. In diesem Falle ist es möglich, eine höhere Rotationsgenauigkeit der Rptationswelle 1 zu erhalten.

Die zwischen dem Servo-Steuerventil und jedem der hydrostatischen Puffer eingeschaltete Drossel kann schließlich unter Berücksichtigung der Eigenschaft des Servo-Steuerventils weggelassen werden.

Fig. 11 und 12 zeigen eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Positioniervorrichtung, die einen beweglichen Körper 1 so positionieren kann, daß er eine geradlinige Bewegung längs einer Führungsfläche 22 ausführt. In dieser Ausführungsform ist der bewegliche Körper 21 an seiner Unterseite mit einem hydrostatischen Puffer 23 zu seiner Lagerung mit gegebener Höhe und an seinen Seitenflächen mit zwei Gruppen von hydrostatischen Puffern 24a, 24b und 25a, 25b zur Lagerung des beweglichen Körpers 21 in X-Richtung senkrecht zur Führungsfläche 22 ausgerüstet.

Wenn der bewegliche Körper 21 einerAntriebskraft von einem nicht dargestellten Antriebsmechanismus unterworfen wird, kann der bewegliche Körper £n Y-Richtung, d.h. parallel zur Führungsfläche 22, sich bewegen. Die Stellung des beweglichen Körpers 21 in Y-Riohtung wird durch die Stellung eines Verschiebedetektors 2? festgestellt, der am rechten

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Ende des beweglichen Körpers 21 befestigt ist, und zwar relativ zu einer Signalplatte 26, die an der Führungsfläche 22 befestigt ist. Die Stellung des beweglichen Körpers 21 in X-Richtung wird von einem Verschiebedetektor 28 festgestellt, der an der Oberseite des beweglichen Körpers 21 befestigt ist. Die hydrostatischen Puffer 24a und 24b werden mit Drücken von dem Servo-Steuerventil 7 durch Drosseln 29a und 29b versorgt. Folglich wird die Position des beweglichen Körpers 21 in X-Richtung durch jene Drücke bestimmt, die in den obigen Drosseln 29a und 29b wirken, d.h. durch die Drücke an den beiden Steueröffnungen 17a und 17b (Fig". 2) des Servo-Steuerventils Um diese Drücke zu steuern, ist ein Korrektursignalgeber 33', ein Differentialverstärker 10, eine Kompensationsschaltung und ein Servo-Verstärker 12 vorgesehen. Diese Bauteile sind im wesentlichen die gleichen wie jene in der vorher beschriebenen Ausführungsform der Erfindung und sind daher mit den gleichen Bezugszeichen wie jene versehen. Der Korrektursignalgeber 33' speichert ein Korrektursignal ^Xc, das vorher zum Zwecke der Korrektur der Zick-Zack-Bewegung des beweglichen Körpers 21 in X-Richtung in einem Bewegungsbereich des beweglichen Körpers 1 in Y-Richtung erzeugt worden war, und erzeugt ein Synchronisations-Korrektur signal ^Xc (y) in Abhängigkeit von einem Verschiebesignal y, das aus dem Verschiebedetektor 27 in Y-Richtung abgegeben wurde. Der Differentialverstärker 10 bildet eine Differenz zwischen dem Synchronisations-Korrektursignal ^Xc(y) und einem Verschiebesignal Δχ(y)_f das aus dem Verschiebedetektor 28 abgegeben wurde. Folglich wird die praktische Stellung des beweglichen Körpers 21 automatisch auf seine vorbestimmte Stellung ausgerichtet.

Die hydrostatischen Puffer 25a und 25b können mit einem konstanten Druck versorgt werden, können jedoch auch mit dem Verschiebe-Korrekturmechanismus gemäß Fig. 12 ausgerüstet sein.

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In der vorliegenden Ausführungsform wird die Stellung des beweglichen Körpers 21 als Verschiebung relativ zur Führungsfläche 22 festgestellt. Alternativ kann eine Referenzfläche mit einer hohen Präzision statt der Führungsfläche 22 vorgesehen sein, und die Position des beweglichen Körpers 21 kann als seine Verschiebung relativ zu dieser Referenzfläche festgestellt werden, wodurch es möglich wird, den beweglichen Körper 21 in noch genauerer Weise zu positionieren.

In den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung werden die Korrektursignale einschließlich des Synchronisations-Korrektursignals /\Yc(Θ) auf der Basis des Ergebnisses bestimmt, das durch eine vorherige Messung der Größe einer rotatorischen Oszillation oder einer hin- und hergehenden Bewegung (Zick-Zack-Bewegung) des zu regelnden Gegenstandes erhalten werden. Da die Größe der rotatorischen Oszillation oder der Zick-Zack-Bewegung des zu regelnden Gegenstandes, der von den hydrostatischen Puffern übertragen wird, von der Genauigkeit in der Konfiguration jedes Bauteils des hydrostatischen Lagermechanismus¹ abhängt, können die Korrektursignale einschließlich des Synchronisations-Korrektursignals ΔΥο(θ) analytisch durch das Ergebnis bestimmt werden, das durch genaue Messung der Genauigkeit in der Konfiguration dieser Bauteile erhalten wird.

Wie vorstehend erläutert, kann die Erfindung einen zu regelnden oder zu steuernden Gegenstand, wie etwa eine Rotationswelle oder einen beweglichen Körper, auf der Basis einer relativen Beziehung zwischen einem vorgegebenen Referenzsignal und einer tatsächlichen Position des Gegenstandes positioniert werden, unabhängig von der Genauigkeit, mit der der Gegenstand bearbeitet worden ist, und schafft eine Positioniervorrichtung für den zu steuernden Gegenstand, die genau korrigiert und stabil arbeitet.

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Claims

Citizen Watch Company Limited, 2-1-1, Nishishinjuku, Shinjuku-ku, Tokyo, Japan

Positioniervorrichtung für Bauteile mit geregelter Nachführung

Ansprüche

1J Positioniervorrichtung bestehend aus einer Basis (2), einem auf der Basis (2) befestigten Halteteil (3), einem Paar hydrostatischer Puffer (4,5) in dem Halteteil zur hydrostatischen Lagerung eines in dem Halteteil zu positionierenden Gegenstandes (1) mit vorgegebenem Spalt zwischen dem Gegenstand und dem Halteteil; einem Verschiebedetektor (9) zur Feststellung eines Verschiebebetrages des Gegenstandes (1) relativ zum Halteteil (3); einem Differentialverstärker (10) zur Bildung eines Differenzsignals unter Verwendung des aus dem Verschiebedetektor (9) angelieferten Verschiebesignals; und einem Servo-Steuerventil (7) zur Lieferung eines Arbeitsdruckes an das Paar hydrostatischer Puffer (4, 5) entsprechend dem Differenzsignal, das aus dem Differentialverstärker angeliefert ist.

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ORIGINAL INSPECTED

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2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Servo-Steuerventil und den hydrostatischen Puffern Drosseln eingeschaltet sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Halteteil· gegenüber der Basis des Gegenstandes (1) ein weiteres hydrostatisches Puffer (6) aufweist, mit dem der Gegenstand hydrostatisch auf Abstand gelagert ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der weitere hydrostatische Puffer an seinem Einlaß mit einer Drossel ausgerüstet ist.
5. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Differentialverstärker und dem Servo-Steuerventil eine Kompensationsschaltung (11) und ein Servo-Verstärker eingeschaltet sind.
6. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweiter Eingang des Differentialverstärkers (10) mit dem Ausgang eines Referenzsignalgebers (33) verbunden ist, und daß der Differentialverstärker ein Differenzsignal aus dem aus dem Verschiebedetektor aufgenommenen Verschiebesignal und aus dem aus dem Referenzsignalgeber (33) aufgenommenen Referenzsignal bildet.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Referenzsignalgeber (33') ein zur Korrektur der Abweichung des Gegenstands (1) von einer eingestellten Bewegung notwendiges Korrektursignal und ein Synchronisations-Korrektur signal bildet.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Referenzsignalgeber ein Korrektursignal synchron mit der Rotation des Gegenstandes (1) erzeugt.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß Drosseln zwischen dem Servo-Steuerventil und den hydrostatischen Puffern eingeschaltet sind.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Halteteil (3) mit einem weiteren hydrostatischen Puffer zum hydrostatischen Lagern des Gegenstandes ausgerüstet ist.
11. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Drossel am Einlaß des oder der weiteren hydrostatischen Puffer vorgesehen ist.
12. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Differentialverstärker und dem Servo-Steuerventil eine Kompensationsschaltung und ein Servo-Verstärker eingeschaltet sind.

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