DE3841067A1 - Antriebstisch hoher resonanz und methode zum bilden einer ebenen arbeitsflaeche - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die gleich­ zeitig anhängige Anmeldung mit dem Aktenzeichen 157 285, eingereicht am 17. Februar 1988, und dem Ti­ tel PHOTOKOPF-SYSTEM ZUM POSITIONIEREN EINES APER- TUR-RADS UND METHODE ZUM HERSTELLEN EINER APER- TUR-SCHEIBE sowie mit dem Aktenzeichen 158 338, einge­ reicht am 22. Februar 1988, und dem Titel LAMPENTREI- BER-SCHEMA.

Diese Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Durchführen eines gesteuerten Vorgangs an einem Werk­ stück, wobei ein Tisch mit einer Tragfläche für das Werkstück entlang einer ersten linearen Achse bewegbar ist und ein Bearbeitungsgerät entlang einer zweiten linearen Achse senkrecht zur ersten Achse bewegbar ist, um das Aufbringen des Geräts auf das Werkstück mit einem hohen Grad von Genauigkeit zu erreichen.

Vorrichtungen der Gattung, mit der sich diese Erfin­ dung befaßt, können beispielsweise bei einem Photo­ plotter eingesetzt werden, um den Photokopf relativ zum Werkstück zu positionieren. Bei einer derartigen Vorrichtung ist die Forderung nach hoher Genauigkeit wichtig, da der Benutzer auf dem Werkstück sowohl miniaturisierte als auch komplizierte grafische In­ formationen erzeugen möchte. Das US-Patent, das den gleichen Anmelder hat wie die vorliegende Erfindung, behandelt ebenfalls das Ziel einer hohen Genauigkeit auf dem Gebiet von Koordinatenpositionierungen. Wie in diesem Patent erkannt, müssen Antriebssysteme, die die Bewegung in X- und Y-Koordinaten bewirken zwecks ge­ nauer Positionierung ein vernachlässigbares Spiel bzw. toten Gang aufweisen. Eine Möglichkeit zur Verringe­ rung des Spiels bei Antriebssystemen mit Leitspindel ist es, eine Mutter mit Laufkugeln zu verwenden, bei der die Kugeln gegen das Gewinde bzw. die Gewindegänge der Leitspindel gedrückt werden. Bei einem Antrieb mit Leitspindel und Mutter erfordern die Masse und die Trägheit sowohl der Mutter als auch der Leitspindel jedoch einen Antriebsmotor von beträchtlicher Lei­ stung, um die Systemteile mit vernünftigen Beschleuni­ gungen bewegen zu können. Während sich derartige An­ triebe als sehr genau bei Koordinaten-Plot-Vorgängen erwiesen haben, ebenso sehr geeignet für Hoch-Ge­ schwindigkeits-Bewegungen des Werkstücks relativ zum Bearbeitungselement sind, sind diese Antriebssysteme allerdings relativ teuer in den Herstellkosten. Zum Beispiel muß die Leitspindel dieser Art von Antrieb mit besonderen Toleranzen bearbeitet werden, um die gewünschte Genauigkeit des Koordinaten-Steuerungssy­ stems zu erzielen. Diese Art von Bearbeitung ist ein teurer Schritt, und wenn man darauf verzichten könnte, würde dies den Preis der Einheit insgesamt erheblich reduzieren. Außerdem verursacht, wie oben erwähnt, die Anbringung der Kugelmutter am Arbeitstisch eine zu­ sätzliche Masse, die durch die Auswahl der Größe des Motors für das Antriebssystem kompensiert werden muß. Da die Massen von Leitspindel und Kugelmutter vom An­ triebsmotor bewegt werden müssen, geht auch die benö­ tigte Größe des Motors relativ zu dem, was angetrieben wird, in die Kosten ein.

Andere Systeme verwenden Getriebe, wie z.B. Zahnstan­ genanordnungen oder ineinandergreifende Kreiszahnrä­ der, als Antriebsmittel für ein X- und Y-Koordina­ ten-Positioniersystem. Das Ineinandergreifen von Zahn­ rädern kann jedoch unerwünschte Klemmwirkungen am Werkstück bewirken. Klemmen zwischen Zahnrädern tritt auf, wenn die Zähne aufeinanderprallen. Wenn ein Zahn­ rad bei einem Photoplotter eingesetzt wird, stellt man die Klemmwirkungen fest, wenn der Benutzer grafische Informationen von extrem kleinen Abmessungen erzeugt. Wenn derartige Informationen gebildet werden, ist die Linie, die auf dem photoempfindlichen Werkstück be­ lichtet wird, so dünn, daß die Klemmwirkungen sich be­ merkbar machen. Die störenden Klemmwirkungen werden bei einer gewünschten geraden Linie deutlich, die mit einer Unregelmäßigkeit oder einer linearen Störung ge­ zeichnet werden. Weiterhin sind die Herstellkosten für die Zahnradbauteile als Serie ein entscheidender Fak­ tor, wenn man die notwendigen engen Toleranzen für die gewünschte Genauigkeit des Systems berücksichtigt. Weiterhin erfordern Zahnradsysteme Schmierung und ten­ dieren dazu, laut zu sein; außerdem unterliegen sie Verschleiß, wodurch die Genauigkeit reduziert wird.

Dementsprechend ist es Aufgabe der Erfindung, ein Zwei-Achsen-Plot-System zu schaffen, bei dem Befehle sowohl in der X- als auch der Y-Koordinate bei maxi­ maler Geschwindigkeit durchgeführt werden, z.B. 400 Zoll pro Minute, wobei aber auch die Orientierung der in den Koordinaten angetriebenen Elemente in äußerst genauer und gleichförmiger Weise ohne Klemmwirkungen von Zahnrädern stattfindet.

Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Koordinaten-Steuer-System zu schaffen, das hohe Festigkeit an den Verbindungsstellen aufweist, während die geringe Masse der Elemente, die hohen Trägheitskräften unterliegen, beibehalten wird, wo­ durch das System eine geringe Masse und eine geringe Trägheit erhält.

Noch eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, die Klemmwirkungen zu eliminieren, indem die X- und Y-Koordinaten-Antriebssysteme Reibantriebsmittel er­ halten und indem diese Antriebsmittel durch ein Rück­ koppelsystem gesteuert werden, das Sensoren aufweist, die die Bewegungen entsprechend der tatsächlichen Position der angetriebenen Elemente bestimmen.

Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein höchst genaues Koordinaten-Steuersystem mit niedrigen Kosten durch Verwendung von Bauteilen nied­ riger Masse und niedrigen Kosten zur Orientierung der angetriebenen Elemente und durch Verwendung eines Elektromotors geringer Baugröße zu schaffen.

Noch eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Antriebssystem zu schaffen, das keine Zahnräder verwendet, wodurch eine ruhige, schmierfreie Vorrichtung mit geringem Verschleiß entsteht.

Die vorliegende Erfindung beruht auf einer Vorrich­ tung, die ein Werkzeug und ein Werkstück relativ zu­ einander sehr genau positionieren und das Werkzeug und das Werkstück relativ zueinander unter hohen Geschwin­ digkeiten und Beschleunigungen bewegen kann. Die Vor­ richtung umfaßt einen stationären Sockel oder Unter­ teil, worauf sowohl ein Arbeitstisch als auch ein Werkzeugschlitten beweglich angebracht sind. Der Ar­ beitstisch und der Werkzeugschlitten sind über An­ triebssysteme miteinander verbunden, die diese Ele­ mente relativ zum Unterteil vorwärts und rückwärts entlang senkrechten Achsen bewegen.

Ein verschiebbarer, in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung benutzter Tisch ist innen mit einer Waben­ struktur versehen, um somit das Masse/Volumen-Verhält­ nis zu reduzieren und um somit die Trägheitskraft des Tischs zu erniedrigen, wenn er sich relativ zur Trä­ gerstruktur bewegt. Der Tisch hat eine flache Arbeits­ fläche, die sich in einer ersten Koordinatenrichtung vorwärts und rückwärts bewegt. Indem der Tisch durch eine besondere Methode mittels eines Werkzeugs gebil­ det wird, wird eine flache Arbeitsfläche erzielt. Diese Arbeitsfläche weist Vakuummittel auf, die das Werkstück auf der Arbeitsfläche in Position halten. An sich nach oben erstreckenden Teilen der Trägerstruktur ist ein Werkzeugschlitten angebracht, der eine Bewe­ gungslinie senkrecht zur Bewegungslinie des Tischs hat. Der Werkzeugschlitten kann verschiedene Arten von Bearbeitungselementen tragen und insbesondere einen Photoplotter-Kopf, der im Zusammenwirken mit einem auf der Arbeitsfläche des Tischs befestigten Filmelement eingesetzt wird.

Sowohl die Tischanordnung als auch das Werkzeug werden von ähnlichen Antriebsstrukturen angetrieben. Beide Elemente werden in ihren jeweiligen Koordinatenachsen durch glatte Stahlbänder bewegt, die das Werkzeug und den Arbeitstisch in gleichförmiger und kontinuierli­ cher Weise ohne Klemmwirkungen positionieren, wie sie bei ineinandergreifenden Zahnradflächen angetroffen werden. Jedes der Antriebsbänder ist am Unterteil über Rollen mit glatter Oberfläche angebracht, die rei­ bungsmäßig mit Antriebsmotoren verbunden sind, um den jeweiligen angetriebenen Elementen eine gewünschte Verschiebung aufzuerlegen. Die Reibantriebskopplung zwischen den Rollen und den Motoren trägt ebenfalls zum klemmfreien Betrieb des Systems bei.

Ein Rückkoppelsystem ist im Aufbau der vorliegenden Erfindung vorgesehen zum Erfassen der Bewegungen des Arbeitstischs und des Werkzeugschlittens relativ zur stationären Tragstruktur und zum Erzeugen von An­ triebssignalen zu den Antriebsmotoren zwecks genauer Bewegung der angetriebenen Elemente im Koordinatensy­ stem. Je zwei separate, unabhängige lineare Skalen sind mit dem Werkzeugschlitten und dem Tischaufbau verbunden, um dadurch kleine Bewegungen der angetrie­ benen Schlitten und Tisch relativ zur Trägerstruktur zu erfassen und zurück in das Rückkoppelsystem zu übertragen.

Entsprechend liefert die Erfindung ein Positioniersy­ stem, das über den Reibantrieb die unerwünschten Klemmeigenschaften aufgrund der Getriebekopplung ver­ meidet. Das System liefert demgegenüber ein Rückkop­ pelsystem, das die tatsächliche Positionierung des Ar­ beitstischs und des Werkzeugschlittens in Bezug auf die Tragstruktur erfaßt, damit jeglicher Schlupf, der irrtümlich zwischen Antriebsmotor und Antriebsrollen auftreten kann, die Erfassung dieser Bewegung nicht beeinträchtigen kann, da nur die tatsächliche Bewegung der angetriebenen Elemente erfaßt wird.

Fig. 1 ist eine perspektivische Ansicht eines Photo­ plotters mit der vorliegenden Erfindung.

Fig. 2 ist eine Seitenansicht eines Photoplotters mit der vorliegenden Erfindung.

Fig. 3 ist eine Vorderansicht eines Photoplotters mit der vorliegenden Erfindung.

Fig. 4 ist eine Draufsicht einer Photoplotteranordnung mit der vorliegenden Erfindung.

Fig. 5 ist eine Schnittansicht durch eines der beiden identischen Reibantriebswerke der vorliegenden Er­ findung.

Fig. 6 ist eine isolierte Ansicht eines der beiden identischen Antriebsbandspannwerke, die in Verbindung mit dem Antriebsband von hoher Festigkeit der vorlie­ genden Erfindung benutzt werden.

Fig. 7 ist ein Blockdiagramm des Rückkoppelsystems, das beim Aufbau der vorliegenden Erfindung benutzt wird.

Fig. 8a und 8b stellen die beim Zusammenbau des Ar­ beitstischs gemäß der vorliegenden Erfindung einge­ setzte Methode dar.

Ein die Erfindung benutzender Photoplotter ist in Fig. 1 gezeigt und umfaßt eine Tragstruktur oder ein Unter­ teil 20, das bewegbar sowohl einen Werkzeugschlitten 76 als auch einen Arbeitstisch 8 trägt. Der Arbeits­ tisch 8 ist verschiebbar an einer Führung 32 von ge­ ringer Reibung und an einer Schiene 24 von ebenfalls geringer Reibung angebracht, die den Arbeitstisch 8 entlang seinem Weg genau ausrichten. In gleicher Weise trägt die Tragstruktur 20 den Werkzeugschlitten 76 auf einer Führung 56 von geringer Reibung und einer Schiene 59 von ebenfalls geringer Reibung. Der Werk­ zeugschlitten 76 wird vom Unterteil 20 erhöht zum Tisch 8 mittels der Arme 22 getragen, die seitlich in Abstand eine Brücke 34 tragen. Fest angebracht an der Brücke 34 sind die Schiene 59 und die Führung 56, die eine Spur bilden, auf der der Werkzeugschlitten 76 wandert. Zusammenwirkend mit dem Werkzeugschlitten 76 ist der Photoplotterkopf 6 auf einer Werkzeugschlit­ ten-Montageplatte 75 angebracht. Der Photoplotterkopf 6 und der Arbeitstisch 8 werden von Antriebsbändern 36 und 38 angetrieben. Die Bänder 36 und 38 sind aus dünnen Stahlblechstreifen mit einer Dicke von etwa 0,5 mm gebildet und haben glatte Innenflächen. In ähnli­ cher Weise haben die rotierbar am Unterteil 20 ange­ brachten Rollen 70, 40 und 71, 41 glatte Außenflächen und wirken mit den glatten Innenflächen der Bänder derart zusammen, daß die Bänder rotierbar zum Unter­ teil 20 getragen werden. Es ist festzustellen, daß die durch die Rollen 70, 40, 71, 41 longitudinal orien­ tierten Bänder die Drehbewegung der Antriebsrollen 70, 71 in eine lineare Bewegung umwandeln. Wegen ihrer lagenförmigen Querschnitte sind die Bänder in dem Sinn flexibel, daß sie um die Rollen gedreht werden können, sind aber aufgrund ihrer hohen Zugfestigkeit longitu­ dinal inflexibel, wenn sie längs durch die Rollen 70, 40, 71, 41 gespannt werden. Rostfreier Stahl oder eine andere Metallegierung mit hohen Zugfestigkeitseigen­ schaften können für die Realisierung der Bänder 36 und 38 benutzt werden. Ebenso sind die Rollen 70, 40, 71, 41 aus einem MateriaI gebildet, das ausreichende Rei­ bung und Glätte für das Zusammenwirken mit den An­ triebsbändern aufweist, werden allerdings vorzugsweise aus einem ähnlichen Material wie die Bänder ausgebil­ det. Folglich bieten diese Bänder ein Antriebsmittel von niedrigen Kosten und niedrigem Gewicht für das System.

Wie in Fig. 6 gezeigt, wird zwangsläufiges Zusammen­ wirken zwischen den Rollen und den Bändern durch Längsspannung der Antriebsbänder 36 und 38 mittels der Einstellschrauben 42 zwecks Belastung der Freilauf­ rolle 40 in Längsrichtung erzielt. Die Spannung kann jedoch auch mittels anderer bekannter Mittel wie Fe­ derbelastung oder dgl. bewirkt werden. Durch Spannen der Antriebsbänder 36 und 38 in Längsrichtung verhal­ ten sich die Bänder in Längsrichtung wie ein starrer Balken, der das daran befestigte Element drückt und zieht. Dieses starre Verhalten der Bänder 36 und 38 erhöht die Genauigkeit des Positioniersystems, indem weniger Bewegung in den Antriebsverbindungen absor­ biert wird. Wenn die Bänder gespannt werden, sorgt weiterhin die glatte Oberfläche zwischen den Rollen und den Bändern für eine gleichmäßige Übertragung der Drehung zwischen den zusammenwirkenden Elementen.

Der Tisch 8 und der Werkzeugschlitten 76, die ange­ triebenen Elemente, sind jeweils mit den Bändern 38 und 36 über Antriebsvorrichtungen 44, 45 verbunden. Jede der Vorrichtungen 44, 45 besteht aus zwei leich­ ten Platten, die zwischen sich einen Teil des Bandele­ ments an dem jeweiligen angetriebenen Element mittels geeigneter Befestigungsmittel wie kleinen Schrauben oder dgl. festklemmen. Die nach außen herabhängenden Flächen der Antriebsvorrichtungen 44, 45 sind in einer mit einer angrenzenden Befestigungsfläche zusammenfal­ lenden Ebene orientiert, die von den angetriebenen Elementen 76 und 8 nach unten gerichtet ist.

Ebenso ist es in Übereinstimmung mit der Erfindung wünschenswert, die angrenzenden Flächen der angetrie­ benen Elemente 76 und 8 sowie der Vorrichtungen 44, 45 in übereinstimmenden Ebenen zu halten, indem die glei­ tenden angetriebenen Elemente an drei Punkten unter­ stützt werden. An jedem der angetriebenen Elemente 8 und 76 sind die ersten beiden Punkte mit gleitendem Kontakt auf einer Seite in einer Linie fluchtend und wirken jeweils mit den Führungen 32 und 56 zusammen. Die Laufkugelaufhängevorrichtungen 30 sind jeweils fluchtend miteinander an der Oberfläche des Tischs 8 angebracht, die der Führung 32 gegenübersteht. In ähn­ licher Weise sind zwei Kugelaufhängevorrichtungen 31 an der Oberfläche der Montageplatte 75 angebracht, die der Führung 56 gegenübersteht. Jede der Laufkugelauf­ hängevorrichtungen 30, 31 weist einen in ihnen ausge­ bildeten C-förmigen Kanal auf, der die jeweiligen Füh­ rungen 32, 56 gleitend aufnimmt. Die Aufhängevorrich­ tungen 30, 31 bestehen aus einem leichten Material wie z.B. Kunststoff oder dgl. und nehmen die Kugeln auf, die in Eingriff mit den zugeordneten Führungen 32 und 56 laufen, wenn die Vorrichtungen 30 und 31 bewegt werden. Da die C-Form der Vorrichtungen 30, 31 die Führungen 32 und 56 umgibt, wird eine zur Laufrichtung seitliche Bewegung der befestigten angetriebenen Ele­ mente verhindert. Somit braucht der dritte Haltepunkt nur eine Tragfläche für die angetriebenen Elemente 76, 8 in Längsrichtung darzustellen, da die seitliche Füh­ rung durch die Vorrichtungen 30, 31 bewerkstelligt worden ist.

Entsprechend gleitet die Seite der angetriebenen Ele­ mente 76 und 8, die der von dem jeweiligen Paar von Vorrichtungen 30, 31 abgestützten Seite gegenüber­ liegt, an den genau ebenen Schienen 24 und 59 auf ent­ sprechenden Sätzen von entgegengesetzten Rollen 56, 58 und 66, 68 entlang. Jeder Satz von Rollen 56, 58 und 66, 68 wirkt entsprechend mit entgegengesetzten Flä­ chen der jeweiligen Schienen 24 und 59 zusammen, um einen dritten Punkt von gleitendem Kontakt zu liefern. Im Betrieb ist der Photoplotterkopf 6 an der Montage­ platte 75 durch allgemein bekannte Mittel wie z.B. Muttern und Schrauben oder dgl. befestigt. Entspre­ chend bewegt sich der Photoplotterkopf entlang der Brücke 34 in hochgenauer und reproduzierbarer Weise, um auf dem Werkstück (F) präzise grafische Informatio­ nen zu belichten. In gleicher Weise läuft der bewegli­ che Tisch 8 auf einer genauen und präzisen Bahn rela­ tiv zum Unterteil 20 und trägt entsprechend zur präzi­ sen Bildung der grafischen Information bei.

Das Positioniersystem gemäß der vorliegenden Erfindung schreibt beim Betrieb als Photoplotter die grafischen Informationen auf das Werkstück (F) bei maximaler Ge­ schwindigkeit von z.B. 400 Zoll pro Minute und mit einer Genauigkeit von +- 0,001 Zoll. Folglich muß jedes der angetriebenen Elemente 76 und 8 eine sehr geringe Trägheitskraft haben, damit die angetriebenen Elemente sich bewegen und anhalten können ohne die unerwünschten Wirkungen nicht benötigter Impulse. Ent­ sprechend ist der Arbeitstisch 8 ein Element von niedrigem Gewicht, das intern von einer eine innere Wabenstruktur 88 definierenden Matrix getragen wird. Das Gewicht/Volumen-Verhältnis des Tischs ist niedri­ ger als das eines festen Körpers. Es ist weiterhin festzustellen, daß die innere Wabenstruktur 88 des Tischs 8 eine starre Tragstruktur darstellt, die die ebenen Abmessungen des Tischs aufrechterhält.

Wie in den Fig. 8a und 8b gezeigt, wird der Tisch 8 aufgrund einer Methode realisiert, die sicherstellt, daß sowohl die Arbeitsfläche des Tischs als auch die entgegengesetzte Bodenfläche ebene, parallele Flächen bilden. Ein Werkzeug 90 wird verwendet, um die ebenen Abmessungen des Arbeitstischs zu bewirken. Die Ar­ beitsfläche 91 des Werkzeugs wird als hochgenaue ebene Fläche bearbeitet. Die Arbeitsfläche des Tischs 8 und die entgegengesetzte Tischbodenfläche 92 und 94 werden aus dünnen, leichten Aluminium-Blechen oder dgl. mit einer Dicke von ca. 1,0 mm gebildet. Jede Lage ent­ spricht beim Legen auf die Werkzeugfläche 91 der hoch­ genauen Abmessung der Werkzeugfläche 91. Wie schon er­ wähnt, liefert die Wabenstruktur 88 eine innere Struk­ tur für den Tisch 8. Entsprechend setzt die Waben­ struktur 88 die Lagen 92 und 94 in zwei parallelen, die Arbeitsfläche und die Bodenfläche des Tischs 8 definierenden Ebenen fest.

Wie in Fig. 8a gezeigt, wird eine Lage 92 zunächst auf die Fläche 91 gebracht. Eine Kleberschicht 95 wird auf die freie Fläche der Lage 92 gebracht, und die Waben­ struktur 88 wird dann über der die Lage 92 abdeckenden Kleberschicht 95 positioniert und wird durch die Kle­ berschicht 95 nach unten auf die Lage 92 aufgebracht. Irgendwelche zwischen den durch die senkrecht herab­ hängenden Strukturkanten definierten Kontaktflächen und der Lage 92 aufgrund von Unregelmäßigkeiten vor­ liegende Lücken werden somit durch Kleber aufgefüllt. Wenn der Kleber sich setzt und aushärtet, wird die Struktur 88 mit der Lage 92 verbunden. Somit liefert der ausgehärtete, alle Lücken zwischen den Kontaktflä­ chen füllende Kleber eine Abstützung zwischen der Lage 92 und der Struktur 88. Da die Lage 92 gegen die Werk­ zeugfläche 91 gehalten wird, während der Kleber aus­ härtet, wird die ebene Abmessung der Fläche 91 in der Lage 92 fixiert, wenn die Struktur 88 fest mit der Lage 92 verbunden wird.

Wenn die Lage 92 durch Verbinden mit einer Seite der Struktur 88 fest geworden ist, wird die andere Seite der Struktur 88 mittels derselben, für das Verbinden von Lage 92 genutzten Methode mit der anderen Lage 94 verbunden. Die Vielzahl von Seitenplatten, als Lagen 92 und 94 aus dem dünnen, leichten Material gebildet, werden in gleicher Weise an den Seitenflächen der Struktur 88 befestigt. Die Platten 99 werden mit den seitlich nach außen herabhängenden Seitenkanten der Struktur 88 mit einer Kleberschicht verbunden. Jeg­ liche Anzahl von Kleberarten kann für die Bildung des Arbeitstischs eingesetzt werden. Ein Beispiel für einen derartigen, geeigneten Kleber ist Epoxidkleber. Durch Verwendung eines Klebers zum Zusammenbau des Tischs 8 werden auch die Nähte zwischen den Lagen 92 und 94 und den Platten 99 abgedichtet, wodurch eine luftdichte Kammer im Arbeitstisch 8 gebildet wird. Die einzelnen Kammern der Wabenmatrix werden somit durch abdichtende Zusammenfügung der Struktur 88 und der La­ gen 92 und 94 gebildet.

Weiterhin fällt unter die Erfindung, daß die abgedich­ teten Nähte entlang des Tischs es erlauben, daß ein Vakuum-Niederhaltesystem angewendet werden kann und das Werkstück (F) in Position hält. Das Niederhalten durch Vakuum vermeidet somit die Verwendung von Klam­ mern oder anderen Befestigungsmitteln, die sonst wei­ teres Gewicht zur Tischstruktur hinzufügen würden. Die Vakuumleitung 50 ist über einen flexiblen Schlauch mit einer Vakuumquelle verbunden. Das Werkstück (F) wird auf dem Tisch 8 durch Luft niedergehalten, die durch Löcher 54 und über Querbohrungen in den Kammerwänden des Wabennetzwerks 88 und die Leitung 50 gesogen wird. Es ist anzumerken, daß die Löcher 54 auf dem Tisch 8 gebohrt werden, nachdem der Epoxidkleber sich auf der die Arbeitsfläche definierenden Lage gesetzt hat, und daß die Querbohrungen in der Wabenstruktur 88 vorge­ formt sein können. Ebenso entspricht jedes Loch 54 einer Kammer in der Wabenstruktur 88. Wie oben disku­ tiert, gleitet der Photoplotterkopf 6 auf der Brücke 34 ähnlich zu dem gleitenden Tisch 8. Da viel von dem Photoplotterkopf 6 leerer, eine optische Kammer defi­ nierender Raum ist, stellt das Gewicht/Volumen-Ver­ hältnis des Photoplotterkopfs 6 kein größeres Träg­ heitsproblem beim Erzielen einer akkuraten Positionie­ rung dar.

Wie deutlich geworden ist, sind der Arbeitstisch 8 und der Photoplotterkopf gleitend mit sehr kleinen Tole­ ranzen an den jeweiligen Führungen 32, 56 und Schienen 24, 59 angebracht. Im Ergebnis sind die angetriebenen Elemente sehr empfindlich auf die von den Bändern 36 und 38 auferlegte Bewegung. Die gemäß der vorliegenden Erfindung verwendeten Antriebe sind jedoch Reiban­ triebe, und daher werden die Klemmwirkungen aufgrund von Stößen durch die Zähne der Zahnräder eliminiert. Entsprechend ist die den Bändern 36 und 38 auferlegte Bewegung eine glatte, gleichförmige und kontinuier­ liche Antriebsbewegung. Wie am besten in Fig. 5 ge­ zeigt, beinhaltet eine Antriebsvorrichtung 60, iden­ tisch zu Antriebsvorrichtung 62, einen Elektromotor 64 mit einer verlängerten, glatten Antriebswelle 67 an einem Ende, die zwangsläufig mit einer glatten Außen­ umfangsfläche eines Schwungrads 69 in Kontakt kommt. Das Schwungrad 69 und die Reibwelle 67 werden in zwangsläufiger Verbindung miteinander durch die Zugfe­ der 72 gehalten, wie in Fig. 2 gezeigt. Die von der Antriebswelle 67 erzeugte Rotation wird auf das Schwungrad 69 durch Reibschluß zwischen den glatten Oberflächen der Antriebswelle 67 und des Schwungrads 69 übertragen. Eine Antriebsrolle 70 ist am Schwungrad 69 befestigt und und überträgt die Drehung des Schwungrads auf die Bänder 38. Im Ergebnis werden gleichförmige und sehr feine Bewegungen der angetrie­ benen Elemente mittels der kontinuierlichen Bewegung des Schwungrads 69 erzielt, wenn es über Reibschluß von der Welle 67 angetrieben wird. Im übrigen ist der Reibantrieb kostengünstig, da keine zusätzlichen Aus­ gaben für das Herstellen von Präzisionszahnrädern an den zusammenwirkenden Oberflächen des Schwungrads 69 und der Reibwelle 67 entstehen.

Während der Kontakt zwischen dem Antriebsmotor 64 und dem Schwungrad 69 ein zwangsläufiges Zusammenwirken ist, können Umstände auftreten, wo sich geringe Be­ träge von Schlupf zwischen der Antriebswelle 67 und dem Schwungrad 69 ergeben. Das Positionssteuersystem gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet jedoch ein Rückkoppelsystem, das Signale von den tatsächlichen Bewegungen der angetriebenen Elemente 76 und 8 emp­ fängt und durch irgendwelche verlorenen Bewegungen aufgrund von unerwünschtem Schlupf nicht beeinflußt wird. Zwecks genauerer Beschreibung des Rückkoppelsy­ stems dieser Art wird auf das US-Patent 38 72 368 vom 18. März 1975 hingewiesen.

Im Betrieb sind lineare Skalen 73, 74 entlang der Bewegungslinie der angetriebenen Elemente 76 und 8 angebracht, die optische Sensoren zur Umwandlung der Bewegungen der angetriebenen Elemente 76 und 8 in hochgenaue elektrische Datensignale für die Rückkop­ pelkreise verwenden. Der gemäß der vorliegenden Erfin­ dung bevorzugte Typ von Sensor verwendet einen auf dem Unterteil 20 gelagerten Glasmaßstab mit äquidistanten Strichen und einer am entlang dem Maßstab laufenden, angetriebenen Element befestigten photoempfindlichen Diode. Wenn die Diode an den Strichen entlangläuft, entsprechend der Bewegung des angetriebenen Elements, werden die optischen Übergänge von der Diode in elek­ trische Spannungsmuster umgesetzt, und diese Span­ nungsmuster werden wiederum von einem Empfänger erfaßt und in eine Folge von elektrischen Impulsen umgewan­ delt, einer pro erfaßtem Strich. Die diesen Übergängen entsprechenden Impulse werden dann vom Empfänger ausgesandt. Da nur die Diode an jedem angetriebenen Element 76 und 8 befestigt ist, ergeben sich weiterhin erhebliche Gewichtseinsparungen, was in einer Reduzie­ rung des obenerwähnten unerwünschten Impulses resul­ tiert. Zwecks weiterer Beschreibung von photoempfind­ lichen Impulserzeugungssystemen, die für die vorlie­ gende Erfindung eingesetzt werden können, wird auf das US-Patent 38 84 580 vom 20. Mai 1975 hingewiesen.

Nun wird auf Fig. 7 Bezug genommen, in der ein Block­ diagramm des in der vorliegenden Erfindung verwendeten Rückkoppelsystems gezeigt ist. Es sollte aus Fig. 7 verständlich sein, daß die Sensoren und die Motoren allein wegen der Darstellung mit gemeinsamen Bezugs­ ziffern versehen sind. Im Betrieb wird jedes Sensor- und Antriebsmotorpaar mit jeweils einem X- bzw. Y-Rückkoppelsystem verbunden. Jedes Rückkoppelsystem in X- bzw. Y-Richtung beinhaltet, wie in Fig. 7 ge­ zeigt, zwei Schleifen A und B, die sich jeweils auf die Position und die Geschwindigkeit der angetriebenen Elemente 76 und 8 beziehen. Schleife A, die Positio­ nierschleife, ist die primäre Logik des Rückkoppelsy­ stems. In eine Steuer- oder Rechnerverarbeitungsein­ heit 3 werden die die X- und Y-Positionskoordinaten für die auf das Werkstück (F) zu schreibenden Informa­ tionen beschreibenden Daten eingegeben. Die Steuerung 3 übersetzt diese Koordinatenpositionsdaten in Schrittimpulse, die dann zum Verzugszähler 200 über­ tragen werden. Wie oben diskutiert, erzeugen die line­ aren Skalen 73, 74 in gleicher Weise Schrittimpulse, die der tatsächlichen Bewegung des speziellen ange­ triebenen Elements entsprechen. Der Verzugszähler 200 empfängt im Eingang die Impulse der linearen Skala sowie die X- oder Y-Positionsimpulse der Steuerung 3. Beide Eingänge werden vom Verzugszähler 200 aufsum­ miert, und ein Abruf- oder Brückungssignal wird vom Verzugszähler 200 in den Digital-Analog-Konverter 100 erzeugt, das dem Unterschied zwischen dem Koordinaten­ positionssignal der Steuerung und dem von der jewei­ ligen linearen Skala erzeugten Signal entspricht. Die­ ses Brückungssignal wird dann vom Digital-Analog-Kon­ verter 100 in ein analoges Signal umgewandelt, und ein analoges Signal wird dann in den Verstärker 300 eines Servosystems eingegeben.

Die sekundäre Logikgruppe (B), wie vorher erwähnt, ist eine logische Schleife, die Signale an den Servover­ stärker 300 liefert, wodurch die Geschwindigkeit ange­ zeigt wird, mit der sich die Antriebsmotoren 64, 65 drehen. Ein von einem betreffenden, an den Motoren 64, 65 montierten Tachometer 77, 78 erzeugtes Signal ist der zweite Eingang des Verstärkers 300. Daraufhin ver­ gleicht der Verstärker 300 den von dem Konverter 100 erzeugten analogen Brücken- oder Fehlerwert mit dem Tachometer-Rückkopplungssignal und erzeugt im Ergebnis entweder ein zunehmendes oder abnehmendes Signal für die Antriebsleistung an den jeweiligen Motor 64, 65. Der Verstärker 300 erzeugt weiterhin das Antriebssig­ nal für den jeweiligen Motor 64, 65, bis das vom Kon­ verter 100 eingegebene Signal Null ist. Somit positio­ niert das in der vorliegenden Erfindung verwendete Steuersystem die angetriebenen Elemente durch Berech­ nung, ausgehend von einer tatsächlichen vorliegenden Position, des Abstands zu einer nächsten Position und liefert ein proportionales Antriebssignal für die An­ triebsmotoren. Entsprechend beeinflußt unerwünschter Schlupf in den Reibantrieben den Positioniervorgang nicht.

Während die vorliegende Erfindung in einer bevorzugten Ausführungsform beschrieben worden ist, ist es selbst­ verständlich, daß zahlreiche Änderungen und Ergänzun­ gen möglich sind, ohne daß vom Geist der Erfindung abgewichen wird. Zum Beispiel müssen die Bandspannmit­ tel nach Fig. 6 keine Einstellschrauben sein, sondern können auch irgendwelche anderen geeigneten Mittel sein. Entsprechend ist die vorliegende Erfindung in der bevorzugten Ausführungsform lediglich als Erläute­ rung und nicht als Einschränkung beschrieben worden.

Claims (26)

1. Positioniersystem mit einem Unterteil, einem zum Tragen eines Werkstücks eingerichteten Arbeitstisch, der verschiebbar derart auf dem Unterteil angebracht ist, daß er sich relativ zum Unterteil vorwärts und rückwärts entlang einer zum Unterteil festen ersten Koordinatenachse bewegen kann, einem Werkzeugschlit­ ten, der verschiebbar derart auf dem Unterteil ange­ bracht ist, daß er sich vorwärts und rückwärts entlang einer zum Unterteil festen zweiten Koordinatenachse senkrecht zur ersten Koordinatenachse bewegen kann, einem ersten Antriebsmittel zwischen dem Unterteil und dem Arbeitstisch zu dessen Vor- und Rückwärtsbewegung entlang der ersten Koordinatenachse, und einem zweiten Antriebsmittel zwischen dem Unterteil und dem Werk­ zeugschlitten zu dessen Vor- und Rückwärtsbewegung entlang der zweiten Koordinatenachse, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Antriebsmittel erste und zweite, drehbar am Unterteil (20) ange­ brachte Rollen (40, 70) mit gIatter Außenfläche um­ faßt, und daß ein erstes, von den ersten und zweiten Rollen getragenes und mit dem Arbeitstisch (8) ver­ bundenes Band (38) mit glatter Innenfläche mit den glatten Außenflächen der ersten und zweiten Rollen zusammenwirkt, daß das zweite Antriebsmittel dritte und vierte, drehbar am Unterteil (20) angebrachte Rol­ len (41, 71) mit glatter Außenfläche umfaßt, und daß ein zweites, von den dritten und vierten Rollen getra­ genes und mit dem Werkzeugschlitten verbundenes Band (36) mit glatter Innenfläche mit den glatten Außenflä­ chen der dritten und vierten Rollen zusammenwirkt, daß ein erster, am Unterteil angebrachter Sensor (73) zum Erfassen der Verschiebung des Arbeitstischs relativ zum Unterteil der Verschiebung des Arbeitstischs ent­ sprechende elektrische Signale erzeugt, daß ein zwei­ ter, am Unterteil angebrachter Sensor (74) zum Erfas­ sen der Verschiebung des Werkzeugschlittens relativ zum Unterteil der Verschiebung des Werkzeugschlittens entsprechende elektrische Signale erzeugt, daß mit dem ersten und dem zweiten Sensor sowie mit dem ersten und dem zweiten Antriebsmittel verbundene Steuermittel (3) zum genauen Positionieren des beweglichen Arbeits­ tischs relativ zum Werkzeugschlitten die den Verschie­ bungen des Arbeitstischs und des Werkzeugschlittens entsprechenden elektrischen Signale verarbeiten, wenn sowohl der Arbeitstisch als auch der Werkzeugschlitten jeweils von den ersten und zweiten Bändern in glatter und gleichförmiger Bewegung bewegt werden.

2. Positioniersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Antriebsmittel einen ersten, am Unterteil (20) angebrachten und das erste Band (38) antreibenden Antriebsmotor (64) um­ faßt, und daß das erste Band (38) aus einer Metalle­ gierung hoher Zugfestigkeit besteht.

3. Positioniersystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Antriebsmotor (64) antriebsmäßig über eine erste Reibantriebsvor­ richtung mit dem ersten Band (38) verbunden ist.

4. Positioniersystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Reibantriebsvor­ richtung (60) ein an der ersten Rolle (70) befestigtes Schwungrad (69) umfaßt, und daß der erste Antriebsmo­ tor (64) eine Antriebswelle (67) aufweist, die über Reibschluß mit dem Schwungrad (69) zusammenwirkt.

5. Positioniersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Antriebsmittel einen zweiten, am Unterteil (20) angebrachten und das zweite Band (36) antreibenden Antriebsmotor umfaßt, und daß das zweite Band (36) aus einer Metallegierung hoher Zugfestigkeit besteht.

6. Positioniersystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Antriebsmotor (65) antriebsmäßig über eine zweite Reibantriebsvor­ richtung (62) mit dem zweiten Band (36) verbunden ist.

7. Positioniersystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Reibantriebs­ vorrichtung ein an der dritten Rolle (71) befestigtes Schwungrad umfaßt, und daß der zweite Antriebsmotor (64) eine Antriebswelle aufweist, die über Reibschluß mit dem Schwungrad zusammenwirkt.

8. Positioniersystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Antriebsmittel Mittel zum Spannen des ersten Bands (38) in Längsrich­ tung umfaßt.

9. Positioniersystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Antriebsmittel Mittel zum Spannen des zweiten Bands (36) in Längs­ richtung umfaßt.

10. Positioniersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Band (38) und das zweite Band (36) aus rostfreiem Stahl bestehen.

11. Positioniersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Unterteil (20) eine erste Führung (20) und eine erste, im Abstand am Un­ terteil angebrachte Schiene (24) zur verschiebbaren Lagerung des Werkzeugschlittens am Unterteil umfaßt.

12. Positioniersystem nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß eine erste Seite des Werk­ zeugschlittens ein erstes Paar von C-förmigen, ausge­ richteten Aufhängevorrichtungen (30) mit darin aufge­ nommenen Laufkugeln zur lagernden Aufnahme der ersten Führung umfaßt, und daß eine zweite, der ersten Seite seitlich entgegengesetzte Seite des Werkzeugschlittens eine erste, die erste Schiene (24) gleitend aufneh­ mende Rollenlagerung (56, 58) umfaßt, um somit den Werkzeugschlitten im Abstand an drei Stellen am Unter­ teil abzustützen.

13. Positioniersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Unterteil (20) weiter­ hin eine zweite Führung (56) und eine zweite, im Ab­ stand am Unterteil angebrachte Schiene (59) zur ver­ schiebbaren Lagerung des Arbeitstischs (76) am Unter­ teil umfaßt.

14. Positioniersystem nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß eine erste Seite des Ar­ beitstischs ein zweites Paar von C-förmigen, ausge­ richteten Aufhängevorrichtungen (31) mit darin aufge­ nommenen Laufkugeln zur lagernden Aufnahme der zweiten Führung (56) umfaßt, und daß eine zweite, der ersten Seite seitlich entgegengesetzte Seite des beweglichen Tischs eine zweite, die zweite Schiene (59) gleitend aufnehmende Rollenlagerung (66, 68) umfaßt, um somit den Arbeitstisch im Abstand an drei Stellen am Unter­ teil abzustützen.

15. Positioniersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Arbeitstisch geringes Gewicht aufweist mit einem im wesentlichen hohlen In­ nern, das eine wabenförmige, die Außenabmessungen des beweglichen Tischs definierende Struktur besitzt.

16. Positioniersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Werkzeugschlitten (76) einen Photoplotter-Kopf (6) aufweist, und daß das Werkstück eine Filmplatte (F) ist.

17. Positioniersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Arbeitstisch Vakuum­ elemente (50) zum Niederhalten des Werkstücks auf einer Arbeitsfläche des Arbeitstischs aufweist.

18. Positioniersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuermittel (3) ein Rückkoppelsystem aufweist, daß der erste Sensor eine erste, am Unterteil angebrachte Glasskala aufweist, und daß der zweite Sensor eine zweite, am Unterteil angebrachte Glasskala aufweist, wodurch die erste Glasskala längs der ersten Koordinatenachse und die zweite Glasskala längs der zweiten Koordinatenachse angeordnet ist.

19. Methode zum Bilden einer ebenen Fläche auf einer Trägerstruktur mit ersten und zweiten Flächen, dadurch gekennzeichnet, daß eine dünne Materiallage auf eine genau ebene Arbeitsfläche eines Werkzeugs aufgebracht wird, um die dünne Materiallage an die ge­ nau ebene Neigung der Arbeitsfläche anzupassen, daß eine Kleberschicht auf die Oberfläche der dünnen, nicht in Kontakt mit der Arbeitsfläche des Werkzeugs befindlichen Materiallage aufgebracht wird, daß die Trägerstruktur über der Kleberschicht mit der ersten Fläche gegenüber der Kleberschicht positioniert wird, daß die Trägerstruktur zur dünnen Lage hin bewegt wird, sodaß die erste Fläche durch die Kleberschicht hindurchbewegt wird, wodurch etwaige, durch die Kanten der ersten, nicht mit der dünnen Materiallage in Be­ rührung befindlichen Strukturfläche gebildeten Lücken mit Kleber aufgefüllt werden, und daß der Kleber sich setzen und aushärten kann, um somit in der dünnen Materiallage die von der Arbeitsfläche definierte ebene Neigung formhaltend zu bewahren.

20. Methode zum Bilden einer ebenen Fläche auf einer Trägerstruktur mit ersten und zweiten Flächen nach An­ spruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerstruktur als durch eine Matrix von Kammern definierte Wabenstruktur vorgesehen wird.

21. Methode zum Bilden einer ebenen Fläche auf einer Trägerstruktur mit ersten und zweiten Flächen nach An­ spruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerstruktur und die dünne Materiallage von der Werkzeugarbeitsfläche ent­ fernt werden, daß eine weitere dünne Materiallage vor­ gesehen wird, daß die weitere dünne Materiallage auf die genau ebene Arbeitsfläche des Werkzeugs aufge­ bracht wird, um die weitere dünne Materiallage an die genau ebene Neigung der Arbeitsfläche des Werkzeugs anzupassen, daß eine Kleberschicht auf die Oberfläche der weiteren dünnen, nicht in Kontakt mit der Arbeits­ fläche des Werkzeugs befindlichen Materiallage aufge­ bracht wird, daß die Trägerstruktur über der Kleber­ schicht mit der zweiten Fläche gegenüber der Kleber­ schicht positioniert wird, daß die Trägerstruktur zur weiteren dünnen Lage hin bewegt wird, sodaß die zweite Fläche durch die auf der anderen dünnen Materiallage aufgebrachte Kleberschicht hindurchbewegt wird, wo­ durch etwaige, durch die Kanten der zweiten, nicht mit der weiteren dünnen Materiallage in Berührung befind­ lichen Strukturfläche gebildeten Lücken mit Kleber aufgefüllt werden, und daß der Kleber sich setzen und aushärten kann, um somit in der weiteren dünnen Mate­ riallage die von der Arbeitsfläche definierte ebene Neigung formhaltend zu bewahren, wodurch Kleberschich­ ten die ersten und zweiten Strukturflächen mit den dünnen Materiallagen verbinden und die Kammern der Wa­ benstruktur luftdicht abschließen.

22. Methode zum Bilden einer ebenen Fläche auf einer Trägerstruktur mit ersten und zweiten Flächen nach An­ spruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden dünnen Mate­ riallagen aus Aluminium bestehen.

23. Tisch von geringem Gewicht für ein zweidimensiona­ les Positioniersystem, dadurch gekennzeichnet, daß eine erste Lage (92) eine ebene Arbeitsfläche definiert, daß eine zweite Lage (94) eine ebene Bodenfläche definiert, daß eine Struk­ tur (88) die allgemeine Form des Tischs definiert, wo­ bei diese Struktur eine erste Fläche und eine entge­ gengesetzte zweite Fläche aufweist, daß die erste Flä­ che der Struktur mit einer entgegengesetzt zur ebenen Arbeitsfläche angeordneten Fläche der ersten Lage (92) über eine Kleberschicht (95) verbunden ist, und daß die zweite Fläche der Struktur mit einer entgegenge­ setzt zur ebenen Bodenfläche angeordneten Fläche der zweiten Lage (94) über eine Kleberschicht (95) verbunden ist, wobei die Struktur die erste und die zweite Lage im Abstand parallel zueinander orientiert, daß die Struk­ tur weiterhin nach außen ragende Kanten aufweist, die eine Vielzahl von Seitenflächen definieren, daß eine Vielzahl von Seitenlagen (99) in ihrer Anzahl der Vielzahl der Seitenflächen an der Struktur entspre­ chen, wobei jeweils eine der Seitenlagen mit jeweils einer der Seitenflächen der Struktur über eine Kleber­ schicht verbunden ist, wobei der an den Schnittstellen zwischen der Vielzahl von Seitenplatten und der ersten und der zweiten Lage vorhandene Kleber (95) diese Schnittstellen abdichtet und für eine luftdichte Um­ hüllung der Struktur sorgt.

24. Tisch von geringem Gewicht nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Struktur eine Waben­ struktur mit einer Matrix von Kammern ist, und daß die Kleberschichten die ersten und zweiten Lagen so mit der Struktur verbinden, daß die einzelnen Kammern in dem Tisch von geringem Gewicht abgedichtet sind.

25. Tisch von geringem Gewicht nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß Löcher in der ersten Lage vorhanden sind, wobei die Position der Löcher (54) je­ weils der Position der abgedichteten Kammern ent­ spricht, und daß die Kammern Querbohrungen aufweisen.

26. Tisch von geringem Gewicht nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß eine Leitung (50) in einer der Vielzahl von Seitenplatten gebildet ist, um eine Vakuumquelle durch die Querbohrungen und die Löcher anschließen zu können.