DE4113667A1 - Piezo-stellantrieb - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Piezo-Stellantrieb nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Piezo-Stellantriebe werden in verschiedenen Bereichen einge­ setzt, z. B. im Bereich der Optik, der Lasertechnik oder auf dem Gebiet der Werkzeugmaschinen. Eine spezielle Anwendung dieser Piezo-Stellantriebe sind sogenannte Fast-Tool-Servo­ systeme. Mit ihnen können Werkzeuge mit hohen Frequenzen zu­ gestellt werden. Solche hohen Zustellfrequenzen sind not­ wendig, um z. B. Laseroptiken mit speziellen Oberflächen­ geometrien zu fertigen. Nachteilig wirkt sich dabei die im Piezoelement entstehende Verlustwärme aus, die mit steigender Frequenz zunimmt. Dies hat thermisch bedingte Verformungen im Werkzeughalter und im Werkstück zur Folge. Außerdem kann es bei Überhitzung zur Zerstörung des Piezo­ elementes führen. Aufgrund dieser Umstände ist die maximale Zustellfrequenz solcher Piezo-Stellantriebe beschränkt. Sie beträgt bei praktischen Anwendungen nur etwa 200 Hz.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den gattungsgemäßen Piezo-Stellantrieb so auszubilden, daß mit ihm hohe Zustell­ frequenzen möglich sind.

Diese Aufgabe wird beim gattungsgemäßen Piezo-Stellantrieb erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des An­ spruches 1 gelöst.

Beim erfindungsgemäßen Piezo-Stellantrieb wird die Temperatur des Piezoelementes stets an die jeweilige Umgebungstemperatur des Piezoelementes angepaßt. Infolge dieser thermischen Stabilisierung des Piezoelementes tritt eine unzulässig hohe Erwärmung des Piezoelementes nicht auf. Die im Piezoelement entstehende Verlustwärme wird infolge dieser Nachregelung stets so gehalten, daß das Piezoelement und seine jeweilige Umgebung gleiche Temperatur haben. Dadurch werden Temperatur­ differenzen zwischen dem Piezo-Stellantrieb und dem jeweils angetriebenen Teil mit Sicherheit ausgeschlossen, so daß mit dem Stellantrieb eine sehr hohe Zustellgenauigkeit erzielt werden kann. Die Umgebungstemperatur des Piezoelementes kann durch entsprechende Kühlmaßnahmen niedrig gehalten werden, so daß infolge der Temperaturnachführung dann auch das Piezoelement eine entsprechend niedrigere Temperatur auf­ weist. Die Verlustwärme des Piezoelementes kann vollständig abgeführt werden. Dadurch lassen sich mit dem erfindungsgemäßen Piezo-Stellantrieb hohe Zustellfrequenzen einhalten, ohne daß sich dies nachteilig auf die Zustellgenauigkeit des Piezo- Stellantriebes auswirkt.

Der erfindungsgemäße Piezo-Stellantrieb kann als Präzisions- Positioniersystem für den Submikrometer-Bereich, zur Kompensation von Geometriefehlern an Werkzeugmaschinen, zur Kompensation von thermischen Fehlern an Werkzeug­ maschinen, zur aktiven Schwingungsdämpfung oder als Er­ reger, z. B. für die Modalanalyse, eingesetzt werden. Der erfindungsgemäße Piezostellantrieb eignet sich her­ vorragend für den Einsatz z. B. auf dem Gebiet der Optik, der Lasertechnik oder der Werkzeugmaschinen.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen.

Die Erfindung wird an Hand eines in den Zeichnungen darge­ stellten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 in einem Längsschnitt einen er­ findungsgemäßen Piezo-Stellantrieb, der in einem Werkzeughalter unter­ gebracht ist, mit einer thermischen Stabilisierungseinrichtung,

Fig. 2 in Stirnansicht und in vergrößerter Darstellung den Piezo-Stellantrieb gemäß Fig. 1,

Fig. 3 einen Regelkreis zur Regelung der Temperatur des Piezoelementes des Piezo-Stellantriebes gemäß Fig. 1,

Fig. 4 einen Regelkreis, in dem der Piezo- Stellantrieb und die thermische Stabilisierungseinrichtung liegen.

Der Piezo-Stellantrieb wird vorzugsweise zur Fertigung hoch­ genauer Laseroptiken eingesetzt. Darüber hinaus kann er als Präzisions-Positioniersystem für den Submikrometer-Bereich, zur Kompensation von Geometriefehlern und/oder von thermischen Fehlern an Werkzeugmaschinen, zur aktiven Schwingungsdämpfung oder als Erreger, z. B. für eine Modalanalyse, eingesetzt werden.

In den Zeichnungen ist der Piezo-Stellantrieb zur hochge­ nauen axialen Zustellung eines Werkzeuges 1 (Fig. 1) durch axiale Verformung eines Piezoelementes 2 vorgesehen, mit dem Laseroptiken gefertigt werden. Mittels des Piezo- Stellantriebes kann das Werkzeug 1 mit hoher Geschwindigkeit und mit einer sehr hohen Genauigkeit axial zugestellt werden. Die Zustellunsicherheit beträgt nur einige Nano-Meter. Mit dem Stellantrieb sind sehr hohe Zustellfrequenzen möglich, weil die im Piezoelememt entstehende Verlustwärme optimal abtransportiert wird.

Das Piezoelement 2 ist in einem Kupferblock 3 untergebracht, der in einem Werkzeughalter 4 angeordnet ist. Der Kupfer­ block 3 ist massiv ausgebildet und hat eine zentrale Bohrung 5, an deren Wandung 6 das Piezoelement 2 nahezu über seinen gesamten Umfang anliegt. Auf diese Weise wird der thermische Kontakt zwischen der Oberfläche des Piezoelementes 2 und dem wärmeableitenden Kupferblock 3 hergestellt. Dieses warmeabführende Element kann außer aus Kupfer selbstver­ ständlich auch aus jedem anderen geeigneten, wärmeableitenden Material bestehen.

Wie Fig. 2 zeigt, hat der Kupferblock 3 etwa rechteckigen Querschnitt mit abgeschrägten Kanten. Der Kupferblock 3 weist einen Temperatursensor 7 auf, der in einer achsparallelen Bohrung 8 des Kupferblockes untergebracht ist. Auf den Außenseiten des Kupferblockes 3 befinden sich im Ausführungsbeispiel vier Peltier-Module 9 bis 12, die mit ihrer kalten Seite 9a bis 12a am Kupferblock 3 und mit ihrer heißen Seite 9b bis 12b an der Innenwandung 13 eines Wärmeableiters 14 befestigt sind. Er besteht im Ausführungsbeispiel aus Aluminium und besteht aus zwei Teilen, die mit Flanschen 15 und 16 aneinander­ liegend lösbar miteinander verbunden sind. Die Verbindung zum Kupferblock 3 erfolgt ausschließlich über die Peltier- Module 9 bis 12. Dadurch umgibt der Wärmeableiter 14 den Kupferblock 3 mit Abstand. Er ist in einer den Wärmeab­ leiter 14 axial durchsetzenden Aufnahme 17 untergebracht, die von der Innenwandung 13 begrenzt ist. Der Wärmeab­ leiter 14 hat - bis auf die Flansche 15 und 16 - quadratischen Umriß und weist nahe den Eckbereichen 4 Bohrungen 18 bis 21 auf, in denen die einen Enden von Heatpipes 22 bis 25 unter­ gebracht sind. Der Wärmeableiter 14 weist außerdem eine achsparallele Bohrung 26 auf, in der ein Temperatursensor 27 untergebracht ist. Er befindet sich im Bereich des Flansches 15 benachbart zur Heatpipe 25. Der Temperatur­ sensor 7 im Kupferblock 3 befindet sich im Bereich zwischen den beiden Peltier-Modulen 11 und 12 nahe der dazwischen liegenden abgeschrägten Kante.

Auch das Gehäuse des Werkzeughalters 4 ist mit einem Temperatursensor 28 (Fig. 1) versehen, der parallel zu den Temperatursensoren 7 und 27 verläuft.

Die vom Werkzeughalter 4 abgewandten Enden der Heatpipes 22 bis 25 sind in einem Kupferblock 29 befestigt, der mit Abstand vom Werkzeughalter liegt und der über wenigstens ein Peltier-Modul 30 mit einem Kühlkörper 31, vorzugsweise einem Lamellenkühlkörper, verbunden ist. Der Kühlkörper 31 ist mit einem Gebläse 32 versehen.

Die Temperatur des Piezoelementes 2 wird durch einen Regler in noch zu beschreibender Weise der Temperatur des Werkzeughalters 4 nachgeführt, so daß das Piezoelement 2 und der Werkzeughalter 4 während des Betriebes stets die gleiche Temperatur aufweisen. Dadurch tritt zwischen dem Piezoelement 2 und dem Werkzeughalter 4 keine Temperatur­ differenz auf, die zu einer großen Zustellungenauigkeit des Werkzeuges 1 führen würde. Der Temperatursensor 7 des Kupferblockes 3 liefert die Ist-Temperatur des Piezoelementes 2, während der Temperatursensor 28 (Fig. 1) des Werkzeughalters 4 die Soll-Temperatur angibt. Der Regler erzeugt ein entsprechendes Korrektursignal, sobald der Sollwert mit dem Istwert nicht übereinstimmt. Über diesen Regler werden die Peltier-Module 9 bis 12 so angesteuert, daß das Piezoelement 2 die gleiche Temperatur wie der Werkzeughalter 4 aufweist. Die Peltier-Module 9 bis 12 transportieren die im Piezoelement 2 erzeugte Verlustwärme aus dem Kupferblock 3 in den Wärmeableiter 14. Die Temperatur im Kupferblock 3 wird konstant, d. h. auf dem Sollwert gehalten. Die im Wärmeableiter 14 entstehende Überschußwärme wird über die Heatpipes 22 bis 25 aus dem Werkzeughalter 4 herausge­ zogen und an den Kupferblock 29 abgegeben, über dessen Kühlkörper 31 die Wärme an die Umgebung abgegeben wird. Mit dem Peltier-Modul 30 läßt sich die Temperatur im Kupfer­ block 29 auf einem Nivau halten, das es erlaubt, die Temperaturdifferenz zwischen dem Kupferblock und dem Wärmeableiter 14 zu minimieren.

Fig. 3 zeigt im einzelnen den Regelkreis zur Regelung der Temperatur des Piezoelementes 2. Der Temperatursensor 28 des Werkzeughalters 4 ist über einen Verstärker 33 an den Regler 34 angeschlossen, der vorzugsweise ein Proportional- Integral-Regler, insbesondere ein Proportional-Integral- Regler mit Vorhalt (PID-Regler) ist. Der Temperatursensor 7 des Kupferblockes 3 ist ebenfalls über einen Verstärker 35 an den Regler 34 angeschlossen. Er vergleicht die von den Temperatursensoren 28 und 7 gelieferten Signale und gibt über einen Leistungsverstärker 36 ein Signal an die Peltier-Module 9 bis 12, wenn der Istwert und der Sollwert der Temperaturen des Kupferblockes 3 und damit des Piezo­ elementes 2 und des Werkzeughalters 4 unterschiedlich sind. Über diesen Regelkreis läßt sich somit die Temperatur des Piezoelementes 2 exakt auf gleichem Nivau halten wie die Temperatur des Werkzeughalters 4. Ein Temperaturgradient zwischen dem Piezoelement und dem Werkzeughalter tritt nicht auf, so daß hiermit zusammenhängende Geometrie­ fehler, die ein Vielfaches der Zustellunsicherheit zur Folge haben, zuverlässig vermieden werden. Die Nachführung der Temperatur des Piezoelementes 2 erfolgt lediglich mit einer Unsicherheit von nur einigen mK, d. h. es treten keine Temperaturgradienten auf, die bei der Fertigung noch negative Einflüsse haben könnten. Die Zustellfrequenz kann sehr hoch sein und beträgt im Ausführungsbeispiel etwa 2 kHz. Wegen der beschriebenen optimalen Wärmeabführung kann die Zustell­ frequenz so hoch sein, so daß mit dem beschriebenen Piezo- Stellantrieb z. B. Laseroptiken mit speziellen Oberflächen­ geometrien hochgenau gefertigt werden können.

Der Sollwert des Wärmeableiters 14 ist vorzugsweise frei einstellbar, so daß die günstigste Temperatur im Hinblick auf den Bearbeitungsvorgang eingestellt werden kann.

Fig. 4 zeigt einen zweiten Regelkreis, mit dem die Temperatur­ differenz zwischen dem Kupferblock 3 und dem Wärmeableiter 14 minimiert werden kann. Der Temperatursensor 27 des Wärme­ ableiters 14 ist über einen Verstärker 37, vorzugsweise einem Meßverstärker, an einen Regler 38 angeschlossen, der vor­ zugsweise ein Proportional-Integral-Regler (PI-Regler), ins­ besondere ein Proportional-Integral-Regler mit Vorhalt (PID-Regler) ist. An den Regler 38 ist auch ein Sollwertgeber 39 angeschlossen, mit dem die Temperatur des Kuppferblockes 29 vorgegeben werden kann. Der Regler 38 vergleicht die über den Temperatursensor 27 festgestellte Ist-Temperatur mit der Soll-Temperatur des Sollwertgebers 39 und liefert über einen entsprechenden Verstärker 40, vorzugsweise einen Leistungsverstärker, ein Regelsignal an das Peltier-Modul 30 des Kupferblockes 29, wenn Differenzen zwischen der Soll-Temperatur und der Ist-Temperatur auftreten. Auf diese Weise kann die Temperatur-Differenz zwischen dem Kupfer­ block und dem Wärmeableiter 14 in optimaler Weise minimiert werden, so daß in Verbindung mit dem Regelkreis gemäß Fig. 3 Temperaturgradienten, die sich negativ auf die Fertigung auswirken könnten, mit Sicherheit vermieden werden.

Der beschriebene Piezo-Stellantrieb stellt eine Kombination aus einem Festkörper-Kühlsystem mit den Peltier-Modulen 9 bis 12 und einem Flüssigkeits-Kühlsystem mit den Heatpipes 22 bis 25 dar. Mit den Peltier-Modulen 9 bis 12 kann der Kupferblock 3 und damit das Piezoelement 2 exakt auf die erforderliche Temperatur gebracht werden. Hierbei ist nicht nur eine Abkühlung des Piezoelementes 2 möglich, wenn seine Temperatur die Temperatur des Kupferblockes 3 und damit des Werkzeughalters 4 überschreiten sollte, sondern auch ein Aufwärmen, wenn die Temperatur des Piezoelementes niedriger als die des Kupferblockes 3 bzw. des Werkzeug­ halters 4 sein sollte. Mit den Peltier-Modulen 9 bis 12 läßt sich das Aufheizen und Abkühlen sehr genau dosieren. Die Heatpipes 22 bis 25 haben einen niedrigen thermischen Widerstand und extrem kleine thermische Zeitkonstanten. Dadurch können Temperaturdifferenzen zwischen ihren beiden Enden sehr schnell abgebaut werden. Mit der Anordnung gemäß Fig. 1 ist es möglich, etwa 60 W Verlustwärme aus dem Werkzeughalter 4 und dem thermisch sensiblen Bereich der Maschine herauszuziehen, ohne eine thermische Störung zu verursachen. Der zweite Regelkreis gemäß Fig. 4 ist vorgesehen, um auch außerhalb des Werkzeughalters 4 thermische Störungen nicht zu verursachen. In vielen Anwendungen reicht ein Kühlkörper 31 am Ende der Heat­ pipes 22 bis 25 aus. Welcher Typ von Kühlkörper 31 am Ende der Heatpipes 22 bis 25 eingesetzt wird, hängt von der abzuführenden Wärmemenge ab und ist darum von Fall zu Fall verschieden.

Der beschriebene Piezo-Stellantrieb kann in sogenannten Fast-Tool-Servosystemen hervorragend eingesetzt werden, mit denen Werkzeuge mit hohen Frequenzen zugestellt werden können. Solche hohen Zustellfrequenzen sind beispielsweise bei der Fertigung von Laseroptiken mit speziellen Oberflächen- Geometrien erforderlich. Die bei solchen hohen Zustell­ frequenzen im Piezoelement 2 auftretende Verlustwärme, die mit steigender Frequenz zunimmt, wird beim beschriebenen Stellantrieb einwandfrei abgeführt, so daß thermisch be­ dingte Verformungen im Werkzeughalter 4 und im zu be­ arbeitenden Werkstück nicht auftreten. Auch das Piezo­ element 2 selbst kann trotz hoher Zustellfrequenzen nicht überhitzt werden. Das Piezoelement 2 gibt seine Wärme infolge des innigen Kontaktes sofort an den Kupfer­ block 3 ab, der mittels des Regelkreises gemäß Fig. 3 so gekühlt werden kann, daß die Temperatur des Piezo­ elementes 2 der Temperatur des Werkzeughalters 4 ent­ spricht. Mit dem beschriebenen Stellantrieb können sehr hohe Zustellfrequenzen ohne Beeinträchtigung der Be­ arbeitungsgenauigkeit erzielt werden. So lassen sich unter Einsatz des Piezo-Stellantriebes formgenaue Metall­ optiken mittels Fast-Tool-Servosystemen herstellen.

Claims (17)

1. Piezo-Stellantrieb mit mindestens einem Piezoelement, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur des Piezoelementes (2) der Umgebungs­ temperatur des Piezoelementes nachführbar ist.

2. Piezo-Stellantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Piezoelement (2) in einem Regelkreis liegt.

3. Piezo-Stellantrieb nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Piezoelement (2) mit einem Wärmeaufnehmer (3), vorzugsweise einem Kupferblock, verbunden ist.

4. Piezo-Stellantrieb nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeaufnehmer (3) Teil des Regelkreises ist.

5. Piezo-Stellantrieb nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeaufnehmer (3) über wenigstens ein Peltier-Modul (9 bis 12) mit mindestens einem Wärmeableiter (14), vorzugsweise einem Aluminium­ block, verbunden ist.

6. Piezo-Stellantrieb nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeableiter (14) den Wärmeaufnehmer (3) umgibt.

7. Piezo-Stellantrieb nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die kalte Seite (9a bis 12a) des Peltier-Moduls (9 bis 12) mit dem Wärmeaufnehmer (3) und die warme Seite (9b bis 12b) des Peltier-Moduls mit dem Wärmeableiter (14) verbunden ist.

8. Piezo-Stellantrieb nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeaufnehmer (3) in einem Werkzeughalter (4) untergebracht ist.

9. Piezo-Stellantrieb nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeaufnehmer (3) wenigstens einen Temperatursensor (7) aufweist.

10. Piezo-Stellantrieb nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeableiter (14) wenigstens einen Temperatursensor (27) aufweist.

11. Piezo-Stellantrieb nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Werkzeughalter (4) wenigstens einen Temperatursensor (28) aufweist.

12. Piezo-Stellantrieb nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Temperatursensor (7) des Wärmeaufnehmers (3) ein Ist-Signal und der Temperatur­ sensor (28) des Werkzeughalters (4) ein Soll-Signal einem Regler (34) zuführen, dessen Regelsignal dem Peltier- Modul (9 bis 12) zuführbar ist.

13. Piezo-Stellantrieb nach einem der Ansprüche 5 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeableiter (14) über wenigstens einen Wärmeübertrager (22 bis 25) mit mindestens einem weiteren Wärmeaufnehmer (29), vorzugs­ weise einem Kupferblock, verbunden ist.

14. Piezo-Stellantrieb nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeübertrager (22 bis 25) ein Flüssigkeits-Kühlsystem ist.

15. Piezo-Stellantrieb nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeübertrager (22 bis 25) durch Heatpipes gebildet ist.

16. Piezo-Stellantrieb nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der weitere Wärmeaufnehmer (29) über mindestens ein Peltier-Modul (30) mit wenigstens einem Kühlkörper (31) verbunden ist.

17. Piezo-Stellantrieb nach einem der Ansprüche 10 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Temperatursensor (27) des Wärmeableiters (14) ein Ist-Signal und ein Soll- Wertgeber (39) ein Soll-Signal einem Regler (38) eines zweiten Regelkreises zuführen, dessen Regelsignal dem Peltier-Modul (30) des weiteren Wärmeaufnehmers (29) zuführbar ist.