DE3008281A1

DE3008281A1 - Proportionales lineares ausgabesystem

Info

Publication number: DE3008281A1
Application number: DE19803008281
Authority: DE
Inventors: Toshiei Kurosaki; Akihiro Takanashi
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1979-03-05
Filing date: 1980-03-04
Publication date: 1980-09-11
Also published as: GB2048421A; FR2451067B1; FR2451067A1; JPS55119253A; US4317383A; NL8001215A; GB2048421B

Description

Die Erfindung betrifft ein neuartiges proportionales lineares Ausgabesystem zur Übertragung einer Verschiebung auf eine verkleinerte oder eine vergrößerte Skala, das als Mechanismus zur Verschiebungsübertragung für ein Positionierungsgerät dient.

Fig. 1 zeigt ein herkömmliches proportionales lineares Ausgabesystem, wie es aus der JP-OS 52-9^62 bekannt ist. Wenn bei diesem System eine Eingangsverschiebung auf einen Punkt P gegeben wird, so dreht sich ein Hebel Ll als starres Element, das keine elastische Verformung erleidet, mit einem Drehgelenk oder Drehpunkt 0 als Zentrum, um eine Verschiebung eines ersten Schrittes auf einer komprimierten Skala zu liefern. Ferner ist die Verschiebung an einen Punkt Q durch einen Hebel L2 komprimiert, der sich mit einem Drehgelenk oder Drehpunkt S als Zentrum dreht, so daß eine verringerte Ausgangsverschiebung am Punkt R geliefert wird. Da jedoch die Eingangs- und Ausgangsverschiebungen einer geradlinigen Bewegung aufgrund eines sich geradlinig bewegenden Tisches unterworfen sind, sind die Positionen zur Übertragung von Verschiebungen an den Punkten P, Q und R Änderungen mit der Drehung der Hebel unterworfen. Infolgedessen geht die Linearität bei der Ausgangsverschiebung mit der Drehung der Hebel verloren, was es schwierig macht, eine hohe Präzision bei einer Eingangs- und Ausgangsrelation über einen großen Bewegungsbereich aufrechtzuerhalten.

Es ist auch bereits ein proportionales lineares Ausgabesystem der in Fig. 2 dargestellten Art bekannt geworden, wie es in der JP-PS 38-19032 beschrieben ist. Bei diesem System besteht ein Hebel L3 aus einem elastischen Element, und, wenn eine Eingangsverschiebung auf einen Punkt G gegeben wird, wird eine Verschiebung erhalten, die durch das Hebelprinzip und die elastische Verformung verringert ist. Ein derartiges System besitzt jedoch

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eine geringe Linearität und ist nicht geeignet, die Positionierung mit hoher Genauigkeit zu erreichen, obwohl es für kleine Verschiebungen Anwendung finden kann.

Bei herkömmlichen proportionalen linearen Ausgabesystemen, die lediglich auf dem Hebelprinzip basieren, wird somit die Verschiebung in Abhängigkeit von einer Hebelübersetzung verringert. Bei herkömmlichen Systemen ist somit der Untersetzungs- oder Reduzierungshebel einer bogenförmigen

-JO Bewegung unterworfen, und ein Angriffspunkt einer Kraft zwischen einem Eingangs/Ausgangspunkt und dem Hebel ist einer Änderung mit der Drehung des Hebels unterworfen, was dazu führt, daß die linearen Eigenschaften vermindert werden. Infolgedessen wird die Genauigkeit verschlechtert, wenn die Positionierung über einen breiten Bereich durchgeführt wird.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde,^ein proportionales lineares Ausgabesystem anzugeben, das eine ausgezeichnete Linearität besitzt und das es ermöglicht, über einen großen Bewegungsbereich eine hohe Genauigkeit bei der Positionierung zu erreichen.

Um dieses Ziel zu erreichen, ist bei dem erfindungsgemäßen proportionalen linearen Ausgabesystem vorgesehen, daß ein Hebel oder eine Kurbel eines ersten Gelenkmechanismus als Gleitstück oder Läufer dient, ein Teil eines Kupplungselementes als Hebel oder Kurbel für einen zweiten Gelenkmechanismus dient und ein Kupplungselement des zweiten Gelenkniecbanismus als Gleitstück oder Läufer dient, so daß ein vom ersten Gelenkmechanismus beschriebenes Dreieck einem vom zweiten Gelenkmechanismus beschriebenen Dreieck geometrisch ähnlich ist. Bei dem erfindungsgeraäßen System erhält das Gleitstück oder der Läufer des ersten Gelenkniechanismus eine Eingangsverschiebung, das Gleitstück oder der Läufer des zweiten Gelenkmechanismus erzeugt

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eine Ausgangsverschiebung, und ein üntersetzungsverhältnis oder ein Übersetzungsverhältnis werden durch das Verhältnis von ähnlichen Figuren der beiden Gelenkmechanisnien bestimmt. In Weiterbildung des erfindungsgeraäßen Systems sind derartige Gelenktnechanismen in zwei oder drei oder mehr Stufen vorgesehen, die auf demselben Prinzip beruhen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Beschreibung von Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung naher erläutert. Die Zeichnung zeigt in

Fig. 1 und 2 schematische Darstellungen zur Erläuterung von herkömmlichen proportionalen linearen Ausgabesystemen;

Fig. 3 und 4t schematische Darstellungen zur Erläuterung von erfindungsgemäßen Ausführungsformen;

Fig. 5 eine schematische Darstellung zur Erläuterung der Anwendung des erfindungsgetnäßen Systems auf einen beweglichen Präzisionstisch; und in

Fig. 6 ein Diagramm zur Erläuterung der mit dem

erfindungsgemäßen System erzielbaren Eigenschaften.

Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung eines neuartigen proportionalen linearen Ausgabesystems, das aus zwei Stufen von Gelenkmechanismen besteht, von denen der eine Dreiecke OAB und OCD ähnlicher Gestalt und der andere Dreiecke PQR und PST ähnlicher Gestalt beschreiben. Wenn bei einem derartigen System eine Eingangsverschiebung 15 auf ein Gleitstück oder einen Läufer 3 als Hebel oder Kurbel eines ersten Gelenkmechanismus gegeben wird, dreht

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sich ein Hebel 1 über inen Hebel 2 mit einem Drehgelenk oder Drehpunkt 7 als Zentrum. Ein Hebel ^li eines zweiten Gelenkmechanisnius ist als Teil des Hebels 1 ausgebildet, der als Kupplungselement beim ersten Gelenkmechanismus dient. Dementsprechend dreht sich der Hebel mit dem Drehgelenk oder Drehpunkt 7 als Zentrum, so daß ein Gleitstück oder Läufer 6 über einen Hebel 5 bewegt \iird, um eine Ausgangsverschiebung l6 einer ersten Stufe zu liefern. In diesem Falle ist das Untersetzungsverhältnis der Ausgangsverschiebung l6 bestimmt durch das Ähnlichkeitsverhältnis des Dreieckes OAB zum Dreieck OCD. Somit wird die Eingangsverschiebung 15 verringert oder reduziert.

Die Ausgangsverschiebung l6 der ersten Stufe dient als Eingangsverschiebung für den Mechanismus einer zweiten Stufe. Wie bei der ersten Stufe ist das Untersetzungsverhältnis bestimmt durch das Ahnlichkeitsverhaltnis eines Dreieckes PQR zu einem Dreieck PST, und es wird eine Ausgangsverschiebung 17 durch das proportionale lineare Ausgabesystem von einem Gleitstück oder Läufer l'j· erzeugt.

In Fig. 3 sind mit dem Bezugszeichen 8 Paare von Gelenken bezeichnet, die Gelenkmechanismen bilden, wobei die Bezugszeichen 9 und 10 Hebel bezeichnen, i^elche den Gelenkmechanismus bilden, der das Dreieck PQR beschreibt, während die Bezugszeichen 11 und 12 Hebel bezeichnen, die den Gelenkmechanismus bilden, der das Dreieck PST beschreibt; das Bezugszeichen 13 bezeichnet das Drehgelenk oder den Drehpunkt für die Hebel 9 und 11.

Das proportionale lineare Ausgabesystem gemäß der Erfindung besitzt eine Linearität über den gesamten Bewegungsbereich, liefert eine Ausgangsverschiebung mit extrem hoher Genauigkeit und erzeugt auch extrem kleine Bewegungsgrößen in der Größenordnung von 0,01 pm.

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Um noch kleinere Bewegungsgrößen und eine Positionierung

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mit noch höherer Genauigkeit zu erreichen, sollten die Gelenkmechanisrnen in drei Stufen aufgebaut sein, wie es in Fig. 4 dargestellt ist. Die Positionierung mit noch höherer Genauigkeit kann dadurch realisiert -werden, daß man die Anzahl von Stufen der Gelenkniechanismen erhöht. Bei der Anordnung nach Fig. 4 wird die Eingangsverschiebung über drei Stufen von Gelenkmechanismen übertragen und in eine Ausgangsverschiebung 17 reduzierter Größe umgewandelt. Die Bezugszeichen l8, 19, 20 und 21 bezeichnen Hebel eines dritten Gelenkmechanismus, das Bezugszeichen 22 bezeichnet ein Gleitstück oder einen Läufer des dritten Gelenkmechanismus, während das Bezugszeichen 23 ein Drehgelenk oder einen Drehpunkt der Hebel l8 und 20 bezeichnet. Die anderen Bauelemente tragen dieselben Bezugszeichen wie in ^FiS- 3.

Fig. 5 zeigt den Fall, wo das erfindungsgemäße proportionale lineare Ausgabesystem als System zur Übertragung von Verschiebungen auf eine bewegliche Präzisionsplatte Anwendung findet. Aufgrund der ausgezeichneten Linearität des neuartigen Ausgabesystems ist es möglich, daß die sich bewegende Präzision'jplatte das Erreichen der Positionierung in einem Steuersystem mit sogenannter offener Schleife ermöglicht, welches nur auf die Eingangsverschiebung anspricht, ohne daß eine Rückkopplung erforderlich ist, die im allgemeinen durch Messung der Positionen erfolgt ist. Die Eingangsverschiebung kann durch einen Impulsmotor und eine Vorschubspindel vorgegeben werden. In Fig. 5 bezeichnet das Bezugszeichen l4 einen Tisch, der mit einer Feineinstellung in die Positionierung gebracht wird. Ein Gelenkmechanismus, bestehend aus den Hebeln 1, 2, 4, 5» 9, 10, 11, 12 und den Gleitstücken oder Läufern 3 und 6, arbeitet als proportionales lineares Ausgabesystem. Das Bezugszeichen 24 bezeichnet eine Vorschubspindel, und das Bezugszeichen 25 bezeichnet einen Impulsmotor.

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Die Wirkungsweise der Vorrichtung ist nachstehend näher erläutert. Wenn eine vorgegebene Anzahl von Impulsen dem Impulsmotor 25 zugeführt wird, so dreht sich die Vorschubspindel 2k und die Eingangsverschiebung 15 wird auf das Gleitstück oder den Läufer 3 des proportionalen linearen Ausgabesystems gegeben. Die Eingangsverschiebung wird auf das proportionale lineare Ausgabesystem gegeben, übertragen und gleichzeitig hinsichtlich der Bewegungsgröße reduziert und in eine Ausgangsverschiebung umgewandelt, die niit 17 bezeichnet ist und von einem Tisch l4' geliefert wird.

Bei der gemäß der Erfindung aufgebauten Präzisions-Verstellplatte können Bewegungen mit sehr kleinen Beträgen in der Größenordnung von 0,01 um realisiert werden, mit anderen Worten eine Positionierung mit einer extrem hohen Genauigkeit von weniger als 1 um durchgeführt werden, indem einfach vorgegebene Impulse dem Impulsmotor zugeführt werden. Da die Vorrichtung außerdem auf einem Steuersystem mit offener Schleife unter Verwendung eines Inipulsmotors beruht, kann die Positionierung mit hohen Geschwindigkeiten durchgeführt werden.

Fig. 6 zeigt ein Diagramm einer charakteristischen Kurve, welche die Positionierungsgenauigkeit beim erfindungsgemäßen System darstellt. Die Positionierungsgenauigkeit wird unter Verwendung eines Laser-Interferenz-Längenmeßgerätes gemessen, wobei die Positionen dadurch gemessen werden, daß man die Vorrichtung in Punkten bei Intervallen von jeweils lOO um positioniert, indem man eine der Ausgangsverschiebung entsprechende Anzahl von Impulsen dem Impulsmotor zuführt. Aus Fig. 6 läßt sich entnehmen, daß der Positionierungsfehler einen Wert von +_ 0,h um nicht überschreitet, wenn die Bewegung über einen so breiten Bewegungsbereich von etwa +_ 0,5 mm erfolgt, so daß es möglich ist, die Positionierung mit hoher Genauigkeit zu

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erreichen, was rait den herkömmlichen Anordnungen nicht der Fall war.

In diesem Falle beträgt das Untersetzungsverhältnis ij über jede Stufe oder 1/50 über die gesamten Stufen (zwei Stufen). Außerdem beträgt bei dem erfindungsgemäßen System ein minimaler Schritt 0,05 pm pro Impuls, was das Auflösungsvermögen des Systems darstellt, wenn ein Impuls dem Impulsmotor zugeführt wird.

Das erfindungsgemäße System ist selbstverständlich nicht auf Gelenktnechanismen beschränkt, wie sie bei den oben beschriebenen Ausführungsformen konkret dargestellt sind, sondern kann auch auf andere Mechanismen Anwendung finden,

jcj vorausgesetzt, daß sie im wesentlichen so aufgebaut sind, daß ein anderer Gelenkmechanismus, bestehend aus einem Hebel und einem Gleitstück oder Läufer, an ein Teil eines Hebels eines Gelenkmechanismus angeschlossen ist, der aus einem Hebel und einem Gleitstück oder Läufer besteht, so daß die einzelnen Gelenkmechanismen geometrisch ähnliche Figuren beschreiben und eine Eingangsverschiebung, die dem einen Gleitstück oder Läufer zugeführt wird, in eine Aasgangsverschiebung reduzierter Größe umgewandelt wird, welche dem Ähnlichkeitsverhältnis der Figuren der Gelenkmechanismen entspricht und von dem anderen Gleitstück oder Läufer geliefert wird.

Obwohl bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel des Systems von einem mehrstufigen Mechanismus die Rede war, kann die Erfindung selbstverständlich auf einen Mechanismus Anwendung finden, bei dem als fundamentale Form eine einzige Stufe vorhanden ist. Außerdem' ist die Erfindung keinesfalls auf die oben beschriebenen Ausführungsformen mit den oben angegebenen konkreten numerischen Werten oder Bewegungsbereichen beschränkt, die lediglich der Erläuterung halber verwendet worden sind, sondern kann auf beliebige

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Werte angewendet werden, die in der erforderlichen Weise gewählt werden.

Wie oben im einzelnen dargelegt, weist das erfindungsgemäße proportionale lineare Ausgabesystem eine Linearität mit hoher Genauigkeit über einen großen Bewegungsbereich auf und ermöglicht es, sehr kleine Bewegungsgrößen zu erhalten. Damit kann das erfindungsgemäße System nicht nur weite Anwendung auf dem Gebiet der Additionskamex-as und von Verkleinerungs-Projektionsausrichtsystemen finden, sondern auch auf den Gebieten der Präzisionsmeßinstrumente und J?räzisionssysteine.

Die oben beschriebenen Ausführungsformen beziehen sich -J5 auf solche Fälle, wo die Eingangsverschiebung in eine Ausgangsverschiebung verkleinerter Größe umgewandelt wird. Wenn ein derartiges System jedoch in umgekehrter Weise verwendet wird, kann eine sehr kleine Eingangsverschiebung auch in eine große Ausgangsverschiebung, und ein sehr kleines Eingangssignal in ein großes Ausgangssignal umgewandelt werden.

Zusammenfassend wird somit ein proportionales lineares Ausgabesystem angegeben, bei dem ein zweiter Gelenkmechanismus, bestehend aus einem Hebel und einem Gleitstück, an ein Teil eines Hebels eines ersten Gelenkmechanismus angeschlossen ist, der aus einem Hebel und einem Gleitstück besteht, so daß die einzelnen Gelenkmechanismen geometrisch ähnliche Figuren beschreiben. Dabei wird eine dem einen Gleitstück zugeführte Eingangsverschiebung in eine Ausgangsverschiebung umgewandelt und vom zweiten Gleitstück geliefert, wobei die Größe der Ausgangsverschiebung gemäß dem Ähnlichkeitsverhältnis der Figuren des ersten Gelenkmechanismus zum zweiten Gelenkmechanismus verkleinert wird.

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Leerseite

Claims

SCHIFF v.FÜNER STREHL SCHÜBEL-HOPF EBBINGHAUS FINCK

MARIAHILFPLATZ 2 & 3, MÖNCHEN 9O POSTADRESSE: POSTFACH 95 O1 6O, D-800O MÜNCHEN 95

HITACHI, LTD. 4. _März 19 80

DEA-25 140

Proportionnies lineares Ausgabesystein

Patentansprüche

Iy Proportionales lineares Ausgabesystem, gekennzeichnet durch eine Gelenkanordr.urg (1-8), die mindestens ein Paar aus einem ersten Gelenkrnechanismus (1-3) mit Hebel (l, 2) und Gleitstück (3) und einem zwei· ten Gelenkmechanismus ('i-6) aufweist, der an einem Teil des Hebels (l) des ersten Gelenkniechanismus (l~3) mit einem weiteren Hebel (4, 5) und Gleitstück (6) vorgesehen ist; durch ähnliche geometrische Figuren (OAB, OCD), die von den ersten (l-3) und zweiten Gelenkmechanismen (k-S) gebildet werden; und durch eine Einrichtung zur Lieferung einer Ausgangsverschiebung (l6) gemäß dem Verhältnis der ähnlichen geometrischen Figuren der ersten (1-3) und zweiten Gelenkmechanismen (*t-6) beim Gleit-

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stück (6) des zweiten Qelenkmechanismus (4-6) in Abhängigkeit von einer Eingangsverschiebung (l5) auf das Gleitstück (3) des ersten Gelenkmechanismus (l-3)·
2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß die die Ausgangsverschiebung (l6) liefernde Einrichtung in Abhängigkeit vom Ahnlichkeitsverhältnis der ähnlichen Figuren der ersten (I-3) und zweiten Gelenlcmechnnisraen (4-6) beim Gleitstück (6) des zweiten Gelenkmechanismus (4-6) in Abhängigkeit von der Eingangsverschiebung (l5) des Gleitstückes (3) des ersten Gelenkmcchanismus (l—3) eine Verkleinerte oder vergrößerte Ausgangsverschiebung liefert.
3·-System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten (I-3) und zweiten Gelenkmechanismen (4-6) ähnliche Dreiecke (OAB, OCD) liefern.
4. System nach einem der Ansprüche 1 bis 31 dadurch gekennzeichnet , daß die ersten (l-3) und zweiten Gelenkmechanismen (4-6) Gleitstück-Kurbeltnechanismen (2, 3; 5, 6) aufweisen.
5· Proportionales lineares Ausgabesystem, dadurch gekennzeichnet , daß eine Gelenkanordnung (I-8) mit mindestens einem Paar von ersten (l-3) und zweiten

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üelenktnechanismen (4-6) versehen ist, wobei ein Hebel (2) des ersten Gelenkmechanismus (l-3) ein Gleitstück (3) aufweist, ein Teil (4) eines Hebels (l) des ersten Gelenkmechariismus (l-3) einen Hebel (4) des zweiten Gelenkmechanismus (4-6) bildet und ein Hebel (5) des zweiten Gelenkmechanismus (4-6) ein zweites Gleitstück (6) aufweist; daß die ersten (l-3) und zweiten Gelenkniechanismen (4-6) geometrisch ähnliche Figuren (OAB, OCD) bilden; und daß eine Einrichtung vorgesehen ist, die eine verringerte Ausgangsverschiebung (l6) gemäß dem Ähnlichkeitsverhältnis der ähnlichen Figuren der ersten (l-3) und zweiten Gelenkniechanismen (4-6) beim Gleitstück (6) des zweiten Gelenkmechanismus (4-6) in Abhängigkeit von einer Eingangsverschiebung (l5) am Gleitstück (3) des ersten Gelenkme- chanisinus (l-3) liefert.
6. System nach Anspruch 5j dadurch gekennzeichnet, daß die ersten (l-3) und zweiten Gelenkmechanismen (4-6) ähnliche Dreiecke (OAB, OCD) bilden.

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