DE8534709U1 - Hochgenaue Einstellvorrichtung - Google Patents

Description

Evanston, Illinois 60602

USA

26 AD05 02 3
10.12.1985

Hochgenaue Einstellvorrichtung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine hochgenaue Ein= Stellvorrichtung, nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 zur Einstellung bzw. Ausrichtung von Gegenständen. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine Einstellvorrichtung zur regelbaren hochgenauen Einstellung eines beweglichen Bauteiles.

Einstellvorrichtungen die zur Zeit verwendet werden, ein Bauteil wie ein Werkzeug oder einen Drehmeißel einzustellen verwenden typischerweise einen Schlitten, der manchmal kugelgelagert ist, sowie eine Leitspindel, welche die Antriebskraft und die Einstellbewegung liefert. Derartige Schlitten weisen drei Probleme auf, welche Einzelbewegungen von weniger als 1,27 nva. (50 mal ein Millionstel eines Inch) nicht zulassen.

Diese drei Probleme sind "stick-slip", "backlash" und

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'■' 1 Abnutzungserscheinungen der Lagerflächen.

"Stick-slip" ist die Neigung eines beweglichen Teiles

, eines Schlittens festzustecken oder "einzufrieren" wenn

( 5 dieses Teil in Ruhestellung ist, was durch Reibung zwi-' sehen einander benachbarten Oberflächen hervorgerufen

■ wird. Obwohl dieses Problem zunächst durch einen kugel

gelagerten Schlitten gelöst werden kann, erzeugen Äbnut

ei uj.*^ i9«f>^. ouiioj.iiuii^ cn tAXXUC ν co. UAXJ. CX11J.VJ ^ixi^j^xx y^j.^y^six^juj-k^xx "stick-slip". Di^ einzige GegenmaQnähme bei diesem Problem ist das Zuführen einer zusätzlichen Kraftmenge, bis sich der Schlitten bewegt, oder mit einem Hammer odgl. gegen den Schlitten zu klopfen, bis sich dieser bewegt. Bei der ersten Gegenmaßnahme ist die sich ergebende Bewegung füt gewöhnlich eine Art Sprung, der zwei- bis

dreimal soweit erfolgt, wie die gewünschte Bewegung. Das Anklopfen des Schlittens mit einem Hammer odgl. kann, obwohl es fast eine Gewaltmaßnahme ist, wirksam sein, ist aber unverläßlich, was eine hochgenaue Einstellung be-

\ 20 trifft.

"Backlash" ist die Tendenz der Leitspindel, eine Art Leerlaufbewegung auszuführen, bevor sie irgendeinen Druck auf den Schlitten ausübt. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn eine Rückwärtsbewegung erwünscht

ist, z.B. wenn das Bauteil zuweit vorgefahren wurde und eine kurze Rückbewegung nötig ist. Theoretisch tritt der "backlash" auf, da zwischen einer Schraube und einer Mutter ein gewisser Freiraum nötig ist, um eine Selbsthemmung zu verhindern. Wenn jedoch die Schraube oder

Spindel zurückgedreht wird, wird die Hinterseite des Gewindes verwendet und es ergibt sich ein Spiel oder eben "backlash" wenn von der Vorderseite des Gewindes zur Rückseite des Gewindes übergegangen wird, da dieser Freiraum vorgesehen ist. Dieser "backlash" kann unwesentlich erscheinen, verhindert jedoch präzises schrittweises Positionieren, das häufig nötig ist.

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Das dritte Hauptproblem, das häufig bei Einstellvorrichtungen auftritt, sind Abnutzungserscheinungen der Oberflächen des Gleitschlittens. Wie bereits erwähnt, sind anfangs die Ergebnisse durchaus befriedigend, insbesondere bei einem kugelgelagerten Schlitten. Aufgrund von Reibung zwischen den Oberflächen wird jedoch eine Abnutzung erzeugt, welche schließlich zu einem Spiel in dem Schlitten und einer untragbar ungenauen Einstellung führt. Verstärkt wird dieses Problem noch durch Verschmutzungen von außen her, die bei den meisten maschinellen Bearbeitungsvorgängen auftreten.

Zusätzlich müssen manche Maschinen eine Einrichtung aufweisen, mit welcher der Schlitten in einer gegebenen Einstellage verriegelbar ist. Dies wird durch verschiedene Möglichkeiten erreicht, führt jedoch für gewöhnlich zu einer Abweichung des Schlittens, die ausreichend genug ist, eine ungenaue Einstellung zu verursachen.

Es wurden bereits verschiedene Verfahren und Vorrichtungen vorgeschlagen, mit denen ein hochgenaues Einstellen eines beweglichen Bauteiles ermöglicht werden soll. Beispiele derartiger Verfahren und Vorrichtungen sind beispielsweise aus den folgenden US-Patenten bekannt:

1,122,713

1,322,352

2,065,966

2,370,742
2,377,239

2,391,142

2,852,966 und

3,361,018

Aus der US-PS 1,122,713 ist eine Werkzeug-Einstellvörrichtung für Drehbänke bekannt. Hierbei ist ein Schlitten Vorgesehen, welcher ein Schneidwerkzeug bewegt, wobei Ge-

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wichte an dem Schlitten angeordnet sind/ um diesen axial zu belasten und der Schlitten über einen Schraubenantrieb I

bewegt wird.

Aus der US-PS 1,322,352 ist eine Automatendrehbank bekannt, welche ebenfalls einen Schlitten verwendet, der ein Schneidwerkzeug bewegt und selbst von einem Schraubenantrieb bewegt wird. jt

Die ÜS-PS 2,065,966 zeigt einen elastischen Halter für Schneidwerkzeuge. Hierbei ist ein Werkzeughalter vorgesehen, in welchem das Werkzeug elastisch ausweichen kann, wenn das Werkzeug oder ein Werkstück in Gefahr sind, beschädigt oder zerbrochen zu werden. Das elastische Bauteil besteht aus einer Plattenfeder oder aus einer Mehrzahl von übereinander angeordneten Plattenfedern.

Aus der US-PS 2,37 0,742 ist ein anderer Werkzeughalter bekannt, der in der Lage ist, nachzugeben, um eine Verstellung oder ein Brechen zu verhindern, und der ebenfalls Plattenfedern verwendet.

Aus der US-PS 2,377,239 ist eine Aufrüst- und Einstellvorrichtung bekannt, bei der ein Schneidwerkzeug auf einem Schlitten bewegt wird, der von einer Nocke angetrie- u ben wird, wobei die Nocke mittels einer Schraube ein- f.,

stellbar ist. Hierbei ist der Schlitten zusätzlich einer Axialkraft unterworfen, welchb von Schraubenfedern aufgebracht wird.

Die US-PS 2,391,142 zeigt einen Werkzeughalter, der nachgiebig ist, so daß es einem Werkzeug möglich ist, sich von dem Werkstück wegzuentfernen. Diese Nachgiebigkeit wird durch eine Schraubenfeder erzeugt, welche eine Federrate aufweist, die veränderbar ist, um verschiedene Spannungen zu erzeugen/ so daß die Bewegung des Werkzeuges regelbar ist«

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Die US-PS 2,852,966 schlägt einen Schneidwerkzeug-Halter vor, der von der Schneidoberfläche zurückziehbar ist, ohne an dieser zu haften, und somit in der Lage ist, exakte Einstellungen zu liefern. Es wird ein Werkzeughalter vorgeschlagen, der sich entlang eines Gleitschlittens bewegt, auf den eine Kraft mittels einer Schraubenfeder aufgebracht wird.

Die US-PS 3,361,018 beschreibt einen Werkzeughalter für Drehbänke in Form eines Paares von flachen parallelen Blattfedern, deren untere Kanten an der Drehbank festgelegt sind und deren obere Enden einen Werkzeughalter tragen.

Wie im folgenden noch genauer beschrieben werden wird, schifft die vorliegende Erfindung eine Einstellvorrichtung, die in der Lage ist, ein Bauteil reproduzierbar innerhalb eine « Bereiches von 1,27 JUm auszurichten. Diese Genauigkeit wurde bisher noch nicht erreicht, und wird darüberhinaus mit einem preiswerten, zuverlässigen und stabilen Aufbau erhalten, bei dem die oben beschriebenen Probleme nicht auftreten und der auch unter äußerst rauhen Betriebsbedingungen mit einem Minimum an Wartungsaufwand betriebsbereit bleibt.

Weiterhin unterscheidet sich die erfindungsgemäße Einstellvorrichtung von den oben erwähnten Vorrichtungen dadurch, daß eine schrittweise arbeitende Einstellvorrichtung geschaffen wird, bei der keine Reibung zwischen Oberflächen auftreten, bei der keine freien Bewegungen möglich sind, bevor eine Vorwärts- oder Rückwärtsbewegung eingeleitet wird und welche sich absolut geradlinig bewegt.

Insoweit zusammenfassend ist erfindungsgemäß eine Vorrichtung geschaffen/ mit welcher ein bewegliches Bauteil hochgenau einstellbar ist und welche eine Grundplatte

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aufweist, Befestigungsmittel aufweist, welche im Abstand von der Grundplatte angeordnet sind, wenigsten zwei Befestigungsblöcke, welche auf der Grundplatte angeordnet sind und flexible Teile aufweist, die transversal zu den Befestigungsmittel angeordnet sind und mit jedem ihrer Enden mit einem der Halteblöcke verbunden sind. Das Befestigungsteil ist in der Lage, sich nach vorne oder hinten entlang seiner Längsachse im Abstand zu der

( Grundplatte zu bewegen und wird durch die flexiblen Bau-

teile mit einer axialen Kraft belastet.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung zweier Ausführungsformen anhand der Zeichnung.

Es zeigt:

Fig. 1 in einer perspektivischen Ansicht von vorne eine Schleifmaschine, welche an einer Einstellvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung befestigt ί ist und mit einer Drehbank zusammenwirkt;

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht von oben auf «ine vorzugsweise Ausführungsform der hochgenauen Einstellvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zusammen mit einem Schneidwerkzeug, welches an einem Ende der Vorrichtung befestigt ist?

Fig. 3 eine Draufsicht von oben auf die Vorrichtung gemäß Fig. 2 in deren Ruhestellung;

Fig. 4 eine Draufsicht von oben auf die Vorrichtung ge-, maß Fig. 3 in deren Arbeitsstellung;

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Fig. 5 eine Schnittdarstellung durch 6ie Vorrichtung gemäß Fig. 3 entlang der dortigen Linie V-V; und

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Fig. 6 eine Schnittdarstellung durch ein Halteteil der Vorrichtung gemäß Fig. 3 entlang der dortigen Linie VI-VI.

In Fig. 1 ist eine hochgenaue Einstellvorrichtung 10 dargestellt, wobei eine Schleifmaschine 12 auf der Einstellvorrichtung befestigt ist, um ein Werkstück 14 auf eitler Drehbank 16 zu bearbeiten.

iÖ Die Vorrichtung 10 ist auf einem Unterbau 18 der nahe bei oder als Teil der Drehbank 16 angeordnet ist und wird mittels eines Schraubenantriebs 20 und eines Motors j oder einer Getriebuntersetzung 22 bewegt. j

i Die Vorrichtung 10 weist im wesentlichen eine Grundplat- \-

te 24 auf, auf der vier würfelförmige Halte-Bauteile 31, I

32, 33 und 34 angeordnet sind. Jedes der Bauteile 31 bis I

34 weist eine Durchgangsbohrung 41, 42, 43 bzw. 44 auf I

(Fig. 2) durch welche jeweils ein Bolzen oder Stift 51, |

52, 53 bzw. 54 verläuft (Fig. 2) wobei jeder der Bolzen |

mit seinem unteren Ende an der Grundplatte 24 befestigt J

ist. I

Die Vorrichtung 10 weist weiterhin einen Halteträger 60 auf, der über der Grundplatte 24 beweglich ist und seinerseits ein proximales Ende 62, auf welches der Schraubenantrieb 20 einwirkt, ein distales Ende 64 und eine Oberseite 66 aufweist, auf welcher die Schleifmaschine 12 befestigt ist.

Der Halteträger 60 ist für seine Bewegung über der Grundplatte 24 mittels eines flexiblen Mechanismus 70 gelagert, der im wesentlichen zwei langgestreckte kurvenförmige flache Bandfedern 72 und 74 aufweist, welche mit ihren Enden jeweils in den Bauteilen 31 und 32 bzw. 33 und 34 gehalten sind. Der Halteträger 60 ist mit den Federn 72 und 74 verbunden, wie noch genauer beschrieben

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werden wird.

Fig. 2 zeigt die Einstellvorrichtung 10 mit einem Schneidwerkzeug 76 an dem distalen Ende 64 des Halteträgera 60, um ein Werkstück 78 zu bearbeiten.

Das distale Ende 64 kann eine spezielle Formgebung haben, um die Aufnahme oder Befestigung eines Werkzeuges wie des Schneidwerkzeuges 76 zu ermöglichen, weiterhin können Bohrungen 81, 82, 83 und 84 auf der Oberseite 66 des Halteträgers 60 ausgebildet sein, um hier eine Werkzeugmaschine wie z.B. die Schleifmaschine 12 gemäß Fig. zu befestigen.

Wie insbesondere aus Fig. 3 hervorgeht, weist der Halteträger 60 zwei zueinander parallele und im Abstand voneinander angeordnete Schlitze 86 und 88 auf. Die Feder wird in dem Schlitz 86 geführt und die Feder 74 wird in dem Schlitz 88 geführt. Die Federn 72 und 74 werden in einer korrekten Stellung in und relativ zu dem Halteträger 60 durch Bolzen 90 und 92 gehalten, und mit dem Halteträger 60 mittels Feststellern (nicht dargestellt) verklemmt, die in Endstücken 94 und 96 angeordnet sind, wie am besten aus den Fig. 3 und 4 hervorgeht.

Der Schraubenantrieb 20 wirkt auf das Endstück 94, um den Halteträger 60 zu bewegen. Diese Bewegung erlaubt, daß das Schneidwerkzeug 76 oder die Schleifmaschine 12 sich von dem Werkstück 14 oder 78 entfernen oder darauf zu bewegen, um eine Bearbeitung zu ermöglichen. Da der Halteträger 60 im Abstand zu der Grundplatte 24 angeordnet ist, ist keine Schmierung zwischen diesen beiden Bauteilen nötig und der Halteträger 60 wird nicht durch Schmutz, Staub, Ablagerungen etc. behindert, die sich bei der Bearbeitung der Werkstücke 14 oder 78 ergeben. Eine derartige Lagerung des Halteträgers 60 verhindert jeglichen "stick-slip", wie er eingangs beschrieben wurde.

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Jedes der Bauteile 31 bis 34 weist einen Schlitz 101, 102, 103 bzw. 104 auf, wie am besten aus Fig. 6 hervorgeht, welche eine Schnittdarstellung durch das Bauteil 31 ist und den Schlitz 101 zeigt. Ein Endabschnitt 106 der Feder 72 ist in dem Schlitz 101 geführt und wird dort mittels eines Bolzens 108 gehalten, der - wie dargestellt - in Form einer Klemmschraube ausgebildet sein kann.

«ie äüS den Fig. 3 und 4 hervorgeht, ist es wünschens^· wert, die Federn 72 und 74 derart anzuordnen, daß eine Axialkraft auf den Halteträger 60 ausgeübt wird, die auf diesen in Richtung auf das proximale Ende 62 wirkt. Diese axiale Kraft wird durch Auswahl der Federn 72 und 74 mit einer gewünschten Federrate und durch Ausbilden der Fedem 72 und 74 in bogenförmiger Form in Richtung auf das proximale Ende 62 des Halteträgers 60 erreicht, wenn die Federn 72 und 74 in den Bauteilen 31 bis 34 befestigt sind. Diese Axialkraft verhindert "backlash" des Schraubenantriebes 20, wie er eingangs beschrieben wurde. 20

Die Federn 72 und 74 können beispielsweise in Form von Bandfederpaketen ausgebildet sein, wie sie beispielsweise als Stoßdämpfer in Kraftfahrzeugen Verwendung finden.

Die schwenkbewegliche Lagerung der Bauteile 31 bis 34 und ein Abstand D (Fig. 6) zwischen einer Schwenkachse 110 des Bolzens 51 und einer Ebene 112 der Feder 72 (d.h. der Mittenebene des Schlitzes 101) wird so ge- wählt, daß (a) die Bauteile 31 bis 34 frei um die Bolzen 51 bis 54 schwenkbar sind, so daß der Schraubenantrieb 20 den Halteträger 60 frei gegen die Axialkraft der Federn 72 bis 74 bewegen kann und (b) wenn die Schlitze 86 und 88 mit den Schlitzen 101, 102 und 103, 104 fluchten, die Federn 72 und 74 geradlinig verlaufen und keinerlei Durchbiegungen aufweisen, wie am besten aus Fig. 4 hervorgeht .

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'' 1 Um dies zu erreichen, können die Schlitze 101 bis 1C4 j weiter entfernt von den entsprechenden Bohrungen 41 bis

44 ausgebildet sein und sich nicht in diese hinein öff-' nen, wie in Fig. 6 dargestellt.

Beim Einsatz wird die Einstellvorrichtung 10 nahe eines Objektes (Werkstück 14 oder 78) angeordnet, welches zu bearbeiten ist. Der Schraubenantrieb 20 wird betätigt,

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teträgers 60 auszuüben, welches sich in einer absolut

geradlinigen Bewegung ohne jegliche laterale Versetzungen ι bewegt. Selbstverständlich muß die Antriebskraft groß

! genug sein, die Axialkräfte des Mechanismus 70 zu über-

I. winden und un> die Werkzeugmaschine (Schleifmaschine 12

oder Schneidwerkzeug 76) zu bewegen so daß diese in Berührung mit dem zu bearbeitenden Gegenstand geraten und das Werkstück wie gewünscht bearbeiten. Wenn die Bearbeitung abgeschlossen ist, wird der Schraubenantrieb 20 zurückgedreht.
20

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung durchgeführte Versuche haben gezeigt, daß, wenn das Werkzeug (12 oder 76) unter fortlaufendem Druck oder Axialkraft von der Einstellvorrichtung 10 gehalten wird, eine höchstgenaue Regelung der Stellung des Werkzeuges möglich ist, wobei ein * Toleranzbereich von annähernd 0,127 um (0,000005 inch)

möglich ist.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wurde die Einstell-30 vorrichtung 10 zusammen mit dem Schneidwerkzeug 76 oder der Schleifmaschine 12 beschrieben. Selbstverständlich kann die erfindungsgemäße Einstellvorrichtung 10 auch dort eingesetzt werden, wo bewegliche Bauteile äußerst exakt gesteuert werden müssen, z.B. bei wissenschaftlichen Instrumenten, in der Halbleiterfertigung etc.

Weiterhin wurde im Rahmen der vorliegenden Beschreibung

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1 die Einstellvorrichtung 10 zusammen mit zwei Federn und 74 beschrieben. Selbstverständlich ist jede andere Anzahl von Federn denkbar, welche zum gleichen Endresultat führen.

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Claims (1)

1. Hochgenaue Einstellvorrichtung zur genauen Positionierung eines Bauteiles, gekennzeichnet durch

eine Grundplatte (24);

eine Haltevorrichtung (60), welche im Abstand zu der Grundplatte (24) angeordnet ist, um daran ein Bauteil (12; 76) zu befestigen, wobei die Haltevorrichtung (60) eine Achse aufweist, entlang derer sie bewegbar ist, sowie ein distales Ende (64) und proximales Ende (62) aufweist, wobei das proximale Ende (62) mittels einer Antriebskraft bewegbar ist, welche darauf aufgebracht wird, um das distale Ende (64) entlang dieser Achse vorwärts und rückwärts zu bewegen;

langgestreckte flexible Bauteile (72, 74), welche sich quer zu der Haltevorrichtung (60) erstrecken,

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wobei die Haltevorrichtung (60) mit den elastischen Bauteilen (72, 74) verbunden ist, so daß eine Axialkraft auf die Haltevorrichtung (60) aufgebracht wird; und

Einrichtungen (31, 32, 33, 34) zum Befestigen eines jeden der Enden der flexiblen Bauteile mit der Grundplatte (24) derart, daß nur eine begrenzte Bewegung der flexiblen Bauteile (72, 74) möglich ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Haltevorrichtung (60) wenigstens mittig zwischen den Enden der flexiblen Bauteile (72- 74) mit diesen verbunden ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die flexiblen Bauteile (72, 74) derart ausgebildet, bemessen und angeordnet sind, daß auf die Haltevorrichtung (60) eine axiale Druckkraft über das proximale Ende (62) der Haltevorrichtung (60) ausgeübt wird.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die flexiblen Bauteile wenigstens zwei parallel verlaufende im Abstand zueinander angeordnete langgestreckte flache Federn (72, 74) aufweisen, welche mit den Halteteilen (31 bis 34) verbunden sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch <ä, dadurch gekennzeichnet, daß jede der flachen Federn (72, 74) in ihrer Ruhelage bogenförmig konvex in Richtung auf das proximale Ende (62) der Haltevorrichtung (69) verläuft,

(S. Vorrichtung nach Anspruch 5/ dadurch gekennzeichnet, daß die Bauteile (31 bis 34) in Form von vier würfelförmigen Bauteilen vorliegen_r wobei jedes würfelförmige bauteil schwenkbewegliah auf der Grundplatte (24)

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für eine begrenzte Bewegung um eine feste Schwenkachse angeordnet ist, und ein jedes Ende einer jeden flachen Feder (72, 74) mit einem der würfelförmigen Bauteile (31 bis 34) verbunden ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen der Schwenkachse und der Ebene des Endes einer jeden flachen Feder, welche in einem der würfelförmigen Bauteile gehalten ist, die Kurvenform einer jeden gebogenen Feder derart beeinflußt, daß eine jede Feder sich von der Bogenform in eine geradliniege Form bewegt, ohne daß eine jede der flachen Federn faltenförmig deformiert wird, wobei weiterhin ein jedes Ende eineö jeden der flachen Fedem in dem würfelförmigen Bauteil um die Schwenkachse schwenkt.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Haltevorrichtung (60) ein Haltetrager ist, der zwei Schlitze (86, 88) aufweist, in welchen die Federn (72, 74) verlaufen.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vier Bolzen (51, 52, 53, 54) jeweils mit einem

ihrer Enden an der Grundplatte (24) befestigt sind, I

wobei ein jedes der würfelförmigen Bauteile (31 bis ^

34) eine Bohrung (41, 42, 43, 44) aufweist, durch |

welche einer der Bolzen verläuft, so daß sich jedes i

der würfelförmigen Bauteile um einen der Bolzen dre- §

U hen kann. ί

10. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, Ϊ daß jedes der würfelförmigen Bauteile einen Schlitz ?_t (101, 102, 103, 104) aufweist und ein jedes Ende S

einer jeder der Federn in einen der Schlitze einge- | setzt und dort lagefixiert ist.

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1 11. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ail dem distalen Ende (64) des Halteträgers (60) ein Schneidwerkzeug (76) anordenbar ist.

5 12. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Halteträger (60) eine Oberseite aufweist, auf weicher eine Schleifmaschine (12) befestigbär ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, 10 daß auf das proximale Ende (62) des Halteträgers (60) ein Schraubenantrieb (20) einwirkt.