DE10248204A1

DE10248204A1 - Vorrichtung zum Greifen und Spannen eines Objektes

Info

Publication number: DE10248204A1
Application number: DE10248204A
Authority: DE
Inventors: Hans-Joachim Koriath; Bertram Schulz; Andreas Schubert
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2002-10-16
Filing date: 2002-10-16
Publication date: 2004-05-06
Anticipated expiration: 2022-10-17
Also published as: DE10248204B4

Abstract

Die vorliegende Erfindung offenbart eine Vorrichtung zum Greifen und Spannen eines Objektes, insbesondere für die Mikrofertigung, mit einem Fixierzapfen, der mit dem Objekt verbindbar, der in einem Behälter zumindest teilweise aufgenommen und der in diesem Behälter bewegbar vorgesehen ist, wobei in dem Behälter eine elektrorheologische oder magnetorheologische Flüssigkeit aufgenommen und der Behälter von einem steuerbaren elektrischen oder magnetischen Feld durchsetzt ist, und wobei das Objekt relativ zum Behälter mittels Steuerung des elektrischen oder magnetischen Feldes fixierbar ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Greifen und Spannen eines Objektes, z.B. eines zu bearbeitenden Werkstückes oder eines Werkzeuges.
Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein Präzisionsstellglied für die Mikrotechnik mit Greif- und Spanneinrichtung, welche den besonderen Anforderungen der Mikrofertigung (Mikrobearbeitung) gerecht wird.
Dabei ist im Bereich der Mikrofertigung von besonderer technischer Bedeutung, daß Werkstücke oder Werkzeuge eine ähnliche Baugröße wie mögliche Stellglieder oder Spannelemente aufweisen. Dadurch ergeben sich für Stellglieder der Mikrotechnik im Vergleich zu konventionellen Fertigungsmethoden von Werkstücken wesentlich erhöhte Anforderungen hinsichtlich der Abmessungen und der (Positionier-)Genauigkeiten der Stellglieder bzw. Stelleinrichtungen sowie der Anzahl an Funktionselementen.

Die üblicherweise bekannten mechanischen, elektromechanischen oder auch fluidisch angetriebenen Stellglieder weisen allerdings systemimmanent unvermeidbare Reibstellen und/oder mechanisches Spiel auf oder zeigen nichtlineare Formänderungen. Aufgrund dieser unerwünschten Eigenschaften sind diese bekannten Stellglieder für eine in der Mikrofertigung notwendige Feinpositionierung im Mikrometer- und Nanometerbereich nur ungenügend nutzbar, wodurch die mittels Präzisionsstellglieder gebildeten Vorrichtungen zum Greifen und Spannen eines Objektes, welche meist auch Positionierfunktionen ausführen sollen, merkbare fertigungstechnische Einschränkungen aufweisen.

Zudem sind für das Spannen und Positionieren von Objekten in der Mikrofertigung (Mikrobearbeitung) bislang ausschließlich kombinierte Vorrichtungen aus voneinander unabhängigen Positioniereinrichtungen mit Spannelementen bekannt: Dies ist aufgrund der vorgenannten Anforderungen der Mikrofertigung (die sich ergebenden Einschränkungen hinsichtlich der Abmessungen der eingesetzten Stellglieder im Hinblick auf eine Stellgliedgröße und eine Gesamtzahl der Stellglieder) jedoch nicht wünschenswert.

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zum Greifen und Spannen eines Objektes zu schaffen, welche den besonderen Anforderungen der Mikrofertigung gerecht wird und dabei eine niedrige Gesamtzahl an Funktionselementen und eine geringe Baugröße der einzelnen Funktionselemente aufweist.

Die erfindungsgemäße Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zum Greifen eines Objektes, insbesondere für die Mikrofertigung, mit einem Fixierzapfen gelöst, der mit dem Objekt verbindbar, der in einem Behälter zumindest teilweise aufgenommen und der in diesem bewegbar vorgesehen ist, wobei in dem Behälter eine elektrorheologische oder magnetorheologische Flüssigkeit aufgenommen und der Behälter von einem steuerbaren elektrischen oder magnetischen Feld durchsetzt ist, und wobei das Objekt relativ zu dem Behälter mittels Steuerung des elektrischen oder magnetischen Feldes fixierbar ist.

Durch die vorliegende Vorrichtung zum Greifen und Spannen eines Objektes wird auf vorteilhafte Weise ein mit einer magnetorheologischen Flüssigkeit (im Folgenden abgekürzt als ,MRF') bzw. mit einer elektrorheologischen Flüssigkeit (im Folgenden abgekürzt ,ERF') gefülltes und aktives (das heißt ansteuerbares) oder passives Stellglied geschaffen, welches durch die Wirkung eines Magnetfeldes bzw. eines elektrischen Feldes in einer beliebigen Position „erstarrt" werden kann. In dieser Ausbildung ist ein Fixieren eines Objektes platzsparend ermöglicht.

Eine bei der Fixierung übertragbare „Spannkraft" ist dabei von den über die Partikelketten der MRF/der ERF übertragbare Schubspannung abhängig, wobei die übertragbare Schubspannungen von einer Stärke des Magnetfeldes/des elektrischen Feldes abhängen. Dementsprechend ist die Spannkraft auf das zu haltende Objekt in weiten Grenzen frei einstellbar.

Zusammenfassend ergibt sich ein sehr flexibler Spannvorgang.

Bei entsprechender Stellgliedanordnung (welche nachfolgend noch eingehend anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen erläutert wird) kann zudem eine Zentrierung des Objektes in einem Fangbereich der Vorrichtung zum Greifen und Spannen eines Objektes erfolgen.

Gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel der Vorrichtung zum Greifen und Spannen eines Objektes ist eine Einrichtung zur Erzeugung des elektrischen oder magnetischen Feldes außerhalb des Behälters angeordnet. Damit ergibt sich eine leichte Zugänglichkeit bei einem vereinfachten Aufbau, wodurch insbesondere auch eine Wartungsfreundlichkeit erhöht ist.

Allerdings kann es abhängig vom konkreten Einsatzfall auch wünschenswert sein, eine möglichst kompakte Bauweise anzustreben. Dementsprechend sind gemäß einem weiteren vorteilhaften Ausführungsbeispiel der Vorrichtung zum Greifen und Spannen eines Objektes der Behälter und/oder der Fixierzapfen als Einrichtungen zur Erzeugung des elektrischen oder magnetischen Feldes ausgebildet.

Bei einem weiteren vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist der Fixierzapfen mit einem geringeren Außenmaß als einem Innenmaß des Behälters in den Behälter eintaucht, wodurch auf einfache Weise eine Beweglichkeit des Fixierzapfens sichergestellt ist.

Vorteilhafterweise umfaßt das Objekt einen Werkstückträger und/oder ein Werkstück und/oder eine Werkzeugaufnahme.

Es ist weiterhin besonders zu bevorzugen, wenn der Behälter als Zylindergehäuse und der Fixierzapfen als Kolben ausgebildet sind, wobei der Kolben in dem Zylindergehäuse bewegbar angeordnet ist. Bei einer derartigen Ausbildung des Stellgliedes als einem Arbeitszylinder können auf vorteilhafte Weise die fluidischen Eigenschaften der MRF/ der ERF (also im Regelfall einem synthetischen Öl mit suspendierten Metallpartikeln) ausgenutzt werden. Mechanisches Spiel bzw. Reibstellen einer Spann- oder Fixiereinrichtung, wie beispielsweise bei Spannschrauben, sind ausgeschlossen. Die „Fixierung" des Kolbens ergibt sich ausschließlich durch das „Erstarren" der Flüssigkeit in zumindest einer Kammer des Zylindergehäuses. Somit ist die Vorrichtung insbesondere in dieser vorteilhaften (aber nicht zwingenden) Ausgestaltung in besonderer Weise für die spezifischen Anforderungen der Mikrofertigung geeignet.

Gemäß einem weiteren besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel der Vorrichtung zum Greifen und Spannen eines Objektes ist zumindest ein Aktor vorgesehen, der auf den Fixierzapfen oder den Behälter oder das Objekt einwirkt, wobei der Aktor zu einer Positionierung des Objektes vorgesehen ist. Mit diesem Ausführungsbeispiel ist ein spezielles Präzisionsstellglied für die Mikrotechnik geschaffen, welches die Eigenschaften des Stellgliedes mit der MRF / der ERF mit einem Mikrostellglied kombiniert. Dieses spezielle Präzisionsstellglied vereinigt dementsprechend in sich die Funktionen „Greifen", „Zentrieren", „Fixieren"/Spannen", „Positionieren" und „Feinpositionieren". Durch diese Vereinigung der unterschiedlichen Funktionen Greifen, Zentrieren, Positionieren, Fixieren, Spannen und Feinpositionieren in einem Stellglied wird eine neue Qualität erreicht. In der vorliegenden kompakten Bauweise mit hoher Funktionsverdichtung sind derartige Präzisionsstellglieder für die hochgenaue Werkstückspannung kleinster Mikrobauteile oder auch zur Mikrowerkzeugspannung und feineinstellung in besonderer Weise einsetzbar. Die vorliegende Kombination der MRF/ERF-Eigenschaften mit Mikroaktorprinzipien erhöht zudem die Reproduzierbarkeit des Mikrofertigungsprozesses, insbesondere bei der Mikrozerspanung, wodurch diese besser beherrschbar wird. Deshalb ist dieses Mikrostellglied in besonderer Weise für die Belange der Mikrofertigung geeignet.

Dabei kann der Aktor als adaptronischer Mikro-Aktor ausgebildet sein. Der adaptronische Mikro-Aktor kann einen Piezo-Aktor oder einen magneto-/elektrostriktiven oder einen Formgedächtnis-Aktor aufweisen. Zudem kann der adaptronische Mikro-Aktor zu einer Messung einer Kraft bei der Fixierung des Objektes vorgesehen sein.
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand mehrerer Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. In diesen zeigen:
1A eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispieles der vorliegenden Vorrichtung,
1B eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispieles der vorliegenden Vorrichtung, wobei das Stellglied als Arbeitszylinder ausgebildet ist,
1C eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispieles des Stellgliedes der vorliegenden Vorrichtung, wobei das Stellglied wiederum als Arbeitszylinder ausgebildet ist,
1D eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispieles des Stellgliedes der vorliegenden Vorrichtung, wobei das Stellglied wiederum als Arbeitszylinder ausgebildet ist,
2A eine Darstellung eines Regelkreises für die vorliegende Vorrichtung mit einer Stelleinrichtung nach 1C,
2B eine Darstellung eines Regelkreises für die vorliegende Vorrichtung mit einer Stelleinrichtung nach 1D, und
3 eine schematische Darstellung der vorliegenden Vorrichtung mit vier Stelleinrichtungen nach 1C .
1A zeigt ein (erstes) Ausführungsbeispiel der vorliegenden Vorrichtung zum Greifen und Spannen eines Objektes in schematischer Darstellung. Mit dieser Vorrichtung ist insbesondere auch ein Fixieren und Positionieren des Objektes 4 ermöglicht. Das Objekt 4 kann dabei einen Werkstückträger, ein Werkstück oder eine Werkzeugaufnahme umfassen.
Wie aus 1A ersichtlich weist die vorliegende Vorrichtung zum Greifen und Spannen eines Objektes gemäß dem (ersten) Ausführungsbeispiel einen Behälter 1 auf. In diesem Behälter 1 ist eine magnetorheologische Flüssigkeit (MRF) oder eine elektrorheologische Flüssigkeit (ERF) aufgenommen, welche in 1A mit dem Bezugszeichen 5 versehen ist.
Wie aus 1A ersichtlich ist das Objekt 4 mit einem Fixierzapfen 2 verbunden. Ein Teilbereich dieses Fixierzapfens ist im Behälter 1 aufgenommen, wobei der Fixierzapfen 2 dazu eine in einer Seitenfläche des Behälters 1 angeordnete Öffnung durchsetzt. Dabei taucht der Fixierzapfen 2 zumindest abschnittsweise in die MRF/ERF 5 ein.
Der Fixierzapfen 2 ist im Behälter 1 bewegbar angeordnet. Dementsprechend bewegt sich ein Teil des Fixierzapfens 2 im in der MRF/ERF, d.h. der in der MRF/ERF eingetauchte Bereich des Fixierzapfens 2 wird bei der Bewegung des Fixierzapfens von der MRF/ERF umspült.
Gemäß dem in 1A gezeigte Ausführungsbeispiel ist weiterhin ein Aktor 3, vorliegend ein Mikroaktor, vorgesehen, der mit dem Fixierzapfen 2 verbunden ist und auf den Fixierzapfen 2 einwirkt.
Es ist darauf hinzuweisen, daß der Aktor 3 gemäß einem weiteren, nicht im einzelnen gezeigten Ausführungsbeispiel auch unmittelbar auf das Objekt 4 wirken kann. Ebenso ist es möglich, daß der Aktor 3 nur mittelbar über weitere (Verbindungs-) Einrichtungen auf den Fixierzylinder 2 und/oder das Objekt 4 einwirkt. Gleichermaßen kann der Aktor 3 auch unmittelbar oder mittelbar auf den Behälter 1 wirken. Dies ist insbesondere dann sinnvoll, wenn eine Positionierung des Objektes nach dem Spannen mittels der Erstarrung der MRF/der ERF erfolgt ist.
Weiterhin sind in 1A gleichzeitig zwei Ausführungsvarianten zur Ausbildung des magnetischen oder elektrischen Feldes (6a oder 6b) aufgezeigt, welche in der Regel alternativ zueinander eingesetzt sind. Gemäß einer (ersten) Ausführungsvariante in 1A wird das (elektrische oder magnetische) Feld 6a von außen, d.h. von außerhalb des Behälters 1 mittels externen Einrichtungen wie Magneten oder Elektroden, angelegt, um abhängig vom gewünschten Betriebszustand der Vorrichtung ein „Erstarren" der MRF/ERF zu bewirken. Gemäß einer (zweiten) Ausführungsvariante, welche im Regelfall alternativ zur ersten Ausführungsvariante zu sehen ist, ist das Feld 6b über den Fixierzapfen, genauer über das Zapfeninnere an die MRF/ERF, und/oder den Behälter 1 angelegt werden. Die vorstehend beschriebenen, im Regelfall alternativ verwendeten Varianten (6a,6b) zur Felderzeugung können jedoch (falls notwendig) auch gemeinsam eingesetzt werden, insbesondere um eine bestimmte Schubspannung in den Partikelketten der MRF/ERF mittels einer bestimmten Höhe des Feldes zu erzeugen.
Unabhängig von der jeweils gewählten (und vorstehend beschriebenen) Variante zur Erzeugung des elektrischen oder magnetischen Feldes wird jedenfalls der Fixierzapfen 2 in der momentanen Position im Behälter 1 fixiert, wodurch auch das Objekt 4 in seiner relativen Lage fixiert wird. Dementsprechend ist das Objekt 4 fixierbar und spannbar.
Über den (vorstehend beschriebenen) Aktor 3 ist diese Anordnung mit dem „erstarrten" Fixierzylinder, d.h. die Gruppe aus Fixierzylinder, MRF/ERF und Behälter in ihrer ge meinschaftlichen relativen Lage zueinander verlagerbar. Dadurch ist eine sehr präzise Positionierung des Objektes 4, welches mit dem Fixierzylinder 2 verbunden ist, ermöglicht.
Aus dem Vorstehenden ergibt sich, daß in 1A jedenfalls eine Vorrichtung zum Fixieren eines Objektes 4 relativ zu einem Behälter 1, der teilweise mit einer ERF/einer MRF 5 gefüllt ist, offenbart ist, welche mittels mindestens eines Feldes steuerbar ist, wobei ein Fixierzapfen 2 mit dem Objekt 4 verbunden ist und der Fixierzapfen mit einem geringeren Außenmaß als das Innenmaß des Behälters in den Behälter 1 eintaucht.
Zudem ergibt sich aus 1A eine Vorrichtung zum Fixieren und/oder Positionieren eines Objektes mit den obigen Merkmalen, wobei mindestens ein Aktor 3 auf den Fixierzapfen wirkt und das Objektes in eine vorgegebene Position/Lage verlagert, je nach geometrischer Gestaltung des Zapfens in bis zu 6 Freiheitsgraden.
Aus 1B ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Vorrichtung in schematischer Darstellung gezeigt, wobei der Behälter und der Fixierzapfen (also ein wesentlicher Bestandteil des Stellgliedes) gem. 1A als Arbeitszylinder ausgebildet ist. Dabei ist der Behälter 1 als ein Gehäuse 1 eines Arbeitszylinders ausgebildet, wobei die MRF/ERF im Gehäuse 1 aufgenommen ist. Der Fixierzapfen 2 ist als Kolben 2 eines Arbeitszylinders ausgebildet, wobei der Kolbenboden das Gehäuse in zwei (Arbeits-) Kammern unterteilt.
Im Kolbenboden sind Durchbrüche vorgesehen, die vorliegend als Bohrungen ausgebildet sind. Mittels dieser Durchbrüche im Kolbenboden ist ein Flüssigkeitstausch zwischen den Kammern des Arbeitszylinders ermöglicht, wobei der auftretende Flüssigkeitsaustausch in 1B durch die beiden die Strömung andeutenden Pfeile aufgezeigt ist.
Im Gehäuse ist weiterhin ein Auslaß vorgesehen, über den jedenfalls eine der Kammern unmittelbar mit einem Speicher für die MRF/ERF in Kommunikation ist. Das Volumen der entsprechend anderen Kammer, welche keinen Auslaß aufweist, ist mittelbar über die beschriebenen Durchbrüche mit dem Speicher verbunden. Dementsprechend kann die MRF/die ERF aus dem Gehäuse des Arbeitszylinders in den Speicher bzw. aus dem Speicher in das Gehäuse abhängig von einem Druckgefälle (insbesondere aufgrund ei ner Volumenänderung der Arbeitskammer bei einer Verlagerung des Fixierzapfens) fließen.
Wie schon im Zusammenhang mit 1A beschrieben, ist der Fixierzapfen 2, hier der Kolben, mit dem Objekt 4 verbunden.
Ebenfalls wie schon im Zusammenhang mit 1A beschrieben, kann das Feld von außen (Feld 6a) oder vom Zapfeninneren (Feld 6b) angelegt werden. Wie vorstehend erläutert, können die Felder 6a, 6b jeweils alleine oder gemeinsam eingesetzt werden.
Der im Zusammenhang mit 1A beschriebene Aktor 3 ist gemäß dem Ausführungsbeispiel gemäß 1B nicht vorgesehen, dementsprechend ist vorliegend eine Feinpositionierung zugleich mit der Fixierung/dem Spannen nicht ermöglicht. Es ist jedoch jederzeit möglich, einen Aktor 3 vorzusehen, der entweder auf den Kolben 2, das Objekt 4 oder das Arbeitszylindergehäuse 1 wirkt, wodurch die Vereinigung des Funktionierens/Feinpositionierens mit Fixieren/Spannen herstellbar ist. Dies wird anhand der nachstehend beschriebenen 1C und 1D sowie der 2A, 2B und 3 noch eingehend erläutert.
Aus der vorstehenden Beschreibung ergibt sich unter anderem auch eine Vorrichtung zum Positionieren und/oder Fixieren eines Objektes mit zumindest einen zumindest teilweise mit einer magnetorheologischen oder elektrorheologischen Flüssigkeit gefüllten Arbeitszylinder als einem ersten Stellglied auf. Das Objekt umfaßt dabei insbesondere zu bearbeitende Werkstücke oder Bearbeitungswerkzeuge.
Wie anhand der nachstehend beschriebenen weiteren Ausführungsbeispiele verdeutlicht ist ein Betriebsdruck der magnetorheologischen oder elektrorheologischen Flüssigkeit im Arbeitszylinder und/oder ein Differenzdruck zwischen den von einem Kolben und einem Gehäuse des Arbeitszylinders gebildeten Kammern vorzugsweise über eine Vorrichtung zur Druckerzeugung und/oder einer Beeinflussung des Volumenstromes einstellbar.
Die Vorrichtung zum Positionieren und/oder Fixieren eines Objektes weist wie schon vorstehend beschrieben zumindest eine felderzeugende Vorrichtung zur Erzeugung eines magnetischen oder elektrischen Feldes auf, wobei mittels des magnetischen oder elektrischen Feldes die magnetorheologische bzw. die elektrotheologische Flüssigkeit zumindest in einem Teilbereich des Arbeitszylinders beeinflußbar ist.
Die Vorrichtung zum Positionieren und/oder Fixieren eines Objektes kann ein weiteres Stellglied aufweisen. Dabei ist eine Stellung des Kolbens im Gehäuse des Arbeitszylinders als erstes Stellglied für eine Grobpositionierung des Objektes und eine Stellung des zweiten Stellgliedes als zweites Stellglied für eine Feinpositionierung des Objektes vorgesehen.
Aus der vorstehenden Beschreibung ergibt sich u. a. ebenfalls ein Verfahren zum Positionieren und/oder Fixieren eines Werkstückes oder eines Werkzeuges, das ein Werkstück oder ein Werkzeug mittels einer vorteilhaften Beeinflussung von Stellwegen mehrerer Stellglieder in einer bestimmten ungefähren Lage positioniert und/oder fixiert und das Werkstück oder Werkzeug in dieser Lage hochpräzise relativ zu einem Referenzpunkt positioniert.
Bei dem Verfahren zum Positionieren und/oder Fixieren eines Werkstückes (oder Werkzeuges) wird ein Werkstück (oder ein Werkzeug) mittels einem Arbeitszylinder im Rahmen einer Positioniergenauigkeit des Arbeitszylinders in einer Sollposition relativ zu einem Werkzeug (oder Werkstück) positioniert. Durch Anlegen eines elektrischen Feldes bzw. eines magnetischen Feldes zumindest in einem Teilbereich des Arbeitszylinders wird eine im Arbeitszylinder aufgenommene elektrorheologische oder magnetorheologische Flüssigkeit beeinflußt. Dadurch wird ein Kolben des Arbeitszylinders in einer relativen Lage zum Gehäuse des Arbeitszylinders fixiert. Anschließend wird das Werkstück (oder das Werkzeug) mit einem weiteren Stellglied zur Feinpositionierung in die Sollposition relativ zu dem Werkzeug (oder einem Werkstück) präzise positioniert.
Somit wird ein Werkstück relativ zu einem Werkzeug hochpräzise positioniert. Es ist jedoch genauso möglich, mit dem beschriebenen Verfahren ein Werkzeug relativ zu einem festgehaltenen Werkstück präzise zu positionieren. Weiterhin ist es denkbar, mittels des Verfahrens das Werkstück und das Werkzeug relativ zueinander zu positionieren.
Eine Einspannkraft auf das Werkstück in einer Sollposition relativ zu dem Werkzeug wird hierbei, wie nachstehend noch erläutert, durch einen hydraulischen Druck der im Ar beitszylinder aufgenommenen magnetorheologischen oder elektrorheologischen Flüssigkeit eingestellt.
Dabei kann eine Einspannkraft über das zweite Stellglied zur Feinpositionierung des Werkstückes erfaßt und über diese Erfassung ein Betrag oder eine Begrenzung des Betrages der Einspannkraft kontrolliert werden.
Dementsprechend wird ein Werkstück durch ein erstes Stellglied, den zumindest teilweise mit einer magnetorheologischen oder elektrorheologischen Flüssigkeit gefüllten Arbeitszylinder, entlang eines ersten größeren Stellweges in einen Fangbereich eines zweiten Stellgliedes zur Feinpositionierung gestellt und das Werkstück entlang eines zweiten kleineren Stellweges präzise an einem vorgewählten Punkt, z. B. relativ zu einem Bearbeitungswerkzeug einer Fertigungsanlage, gestellt und an diesem Punkt bei einer frei wählbaren Einspannkraft fixiert.
Eine solche Feinpositionierung wird bevorzugt anhand vorhandenen Marken oder Konturen des zu positionierenden Werkstückes durchgeführt. Dabei ist es auch vorteilhaft, wenn der Positioniervorgang des Werkstückes optisch erfaßt wird, und eine Steuerung des Positioniervorganges über eine Bildanalyse auf Basis der optisch ermittelten Positionen bzw. einer Veränderung der Positionen erfolgt.
Der obigen Beschreibung ist auch entnehmbar, daß ein in einem definierten Fangbereich einer Vorrichtung zum Greifen und Spannen eines Objektes angeordnetes Objekt (Werkstück oder Werkzeug) von einem oder mehreren Greiferteilen erfasst werden. Dieses Greiferteil kann (wie beschrieben) direkt mit einem Piezo-Aktor oder der Kolbenstange eines Arbeitszylinders verbunden, der mit einem magneto- oder elektrorheologischen Fluid gefüllt ist. Dieser Arbeitszylinder dient einerseits zur Positionierung des Werkstücks oder Werkzeuges und erzeugt andererseits durch einen steuerbaren Betriebsdruck eine variable Spannkraft. Das Fixieren und Lösen der Kolbenstange in dieser Spannlage wird dadurch erreicht, daß ein steuerbares Magnetfeld oder elektrisches Feld die Viskosität des magneto- oder elektrorheologischen Fluids im Spalt zwischen Kolben und Zylinder verändert bzw. das Fluid im Arbeitszylinder erstarren läßt. Die Feinpositionierung des Werkstückes oder Werkzeuges wird durch ein oder mehrere Piezo-Aktoren realisiert, die entweder auf das Gehäuse des Arbeitszylinders oder direkt auf das Greiferteil einwirken.
Die erreicht Ist-Position wird von einem Meßsystem erfaßt und an eine Steuerung weitergeleitet, die den Arbeitszylinder, das Magnetfeld, das elektrische Feld oder den Piezo-Aktor nach vorgegebenen Sollwerten ansteuert.
1C zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispieles einer Stelleinrichtung 100 der vorliegenden Vorrichtung zum Greifen und Spannen eines Objektes, die in der beschriebenen Ausführung insbesondere auch zum Positionieren und/oder Fixieren eines Objektes geeignet ist.
Die Stelleinrichtung 100 weist in diesem Ausführungsbeispiel zwei Stellglieder auf, die nachfolgend als erstes und ein zweites Stellglied 101,104 bezeichnet werden. Diese beiden Stellglieder 101,104 wirken entlang einer gemeinsamen Wirkungsachse D gemeinsam auf das zu positionierende und/oder zu fixierende Objekt 111 (nicht gezeigt in 1C).
Das Objekt 111 umfaßt insbesondere ein zu bearbeitendes Werkstück, das relativ zu einem Bearbeitungswerkzeug bzw. ein Werkzeug, das relativ zu einem zu bearbeitenden Werkstück positioniert wird.
Zwischen den in einer Reihenschaltung angeordneten Stellgliedern 101, 104 und dem Objekt 111 ist ein Greifer-Bauteil 105 angeordnet. Dieses Greifer-Bauteil 105 ist über eine Verbindungsvorrichtung 106 mit dem Stellelement 103 des ersten Stellgliedes 101 verbunden. Das Greifer-Bauteil 106 ist mittels dieser Verbindungsvorrichtung 106 abhängig von der Form des Objektes 101 auf einfache und zeitsparende Art austauschbar.
In dem gezeigten Ausführungsbeispiel gemäß 1C weist die Stelleinrichtung 100 einen hydraulischen Arbeits-Zylinder 101 als erstes Stellglied und einen adaptronischen Mikro-Aktor 104 als zweites Stellglied auf.
Der Arbeitszylinder 101 ist vollständig oder in Teilbereichen mit einer elektrorheologischen oder magnetorheologischen Flüssigkeit 110 gefüllt. Mittels einer Änderung einer Lage eines Kolbens 103 des Arbeits-Zylinders 101 relativ zum Gehäuse 102 ist die Lage des Greiferbauteiles 105 und damit die Lage des Objektes 101 einstellbar.
Die Lage des Kolbens 103 relativ zum Gehäuse 102 des Arbeits-Zylinders 101 entlang dem Stellweg wird dabei über eine Druckdifferenz, die zwischen den durch das Gehäuse 102 und einem Teil des Kolbens 103 gebildeten Kammern eingestellt wird, gesteuert. Dabei ist das Gehäuse 102 des Zylinders 101 über Druckleitungen 108 mit einer Vorrichtung zur Erzeugung einer Druckdifferenz 111 oder einer Vorrichtung zur Beeinflussung des Volumenstromes (nicht gezeigt) verbunden.
Bei dem beschriebenen Arbeits-Zylinder 101 handelt es sich um einen hydraulischen Zylinder. Bei dem beschriebenen Stellelement handelt es sich um einen in dem Gehäuse 102 des hydraulischen Arbeits-Zylinders 101 verschiebbaren Kolben 103. Der beschriebene Stellweg umfaßt somit die gesamte Länge des Kolbenhubes.
Als hydraulisches Fluid 110 wird eine magneto- oder elektrotheologische Flüssigkeit 110 eingesetzt. Elektrotheologische Flüssigkeiten bzw. magnetorheologische Flüssigkeiten 110 sind Flüssigkeiten, bei denen die theologischen Eigenschaften stufenlos über ein elektrisches bzw. magnetisches Feld steuerbar sind. In der Regel handelt es sich bei elektrotheologischen bzw. magnetorheologischen Flüssigkeiten 110 um Suspensionen, d.h. in einem Trägermedium suspendierte Feststoffpartikel, die über das elektrische bzw. magnetische Feld polarisierbar sind.
Bei einer solchen Flüssigkeit 110 kann also mittels eines steuerbaren Magnetfeldes bzw. eines elektrischen Feldes bevorzugt eine Viskosität der magnetorheologischen Flüssigkeit 110 bzw. der elektrotheologischen Flüssigkeit 110 im Spalt zwischen dem Kolben 103 und dem Gehäuse 102 verändert werden. Vorzugsweise wird die magnetorheologische bzw. die elektrotheologische Flüssigkeit 110 im Arbeitszylinder verfestigt.
Das Magnetfeld bzw. das elektrische Feld wird mittels einer Vorrichtung zur Erzeugung eines Magnetfeldes bzw. eines elektrischen Feldes 109 zumindest in Teilbereichen des Arbeitszylinders 101 erzeugt und gesteuert.
Über diese Beeinflussung zumindest einer der theologischen Eigenschaften dieser Flüssigkeit 110 ist der Kolben 103 des Arbeitszylinders 101 in einer frei wählbaren Position fixierbar. Diese Fixierung wird bei Wegnahme des angelegten Magnetfeldes oder elektrischen Feldes aufgehoben.
Somit dient der Arbeitszylinder 101 zur Positionierung des Objektes 111 entlang eines relativ großen Stellweges mittels des Kolbenhubes und zur Erzeugung einer variablen Einspannkraft auf das zu fixierende Objekt 111 aufgrund eines steuerbaren Betriebsdruckes. Die notwendige Gegenkraft zu der Einspannkraft ist beispielsweise über eine Rückstellvorrichtung (nicht gezeigt) entlang der Wirkungsachse D einleitbar.
Die Rückstelleinrichtung weist in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel einen Anschlag für die Bewegung des Kolbens 103 im Arbeitszylinder 101 auf, wobei die Rückstelleinrichtung innerhalb oder außerhalb des Gehäuses 102 des Arbeitszylinders 101 und auf der gleichen Seite des Objektes 111 wie die Stelleinrichtung 100 angeordnet ist. Diese Rückstelleinrichtung weist vorzugsweise eine Federanordnung und/oder einen elastischen Anschlag auf.
Somit ist es auf einfache und kostengünstige, jedoch sehr präzise Art und Weise möglich, das Stellelement den Kolben 103 eines Stellgliedes des Arbeitszylinders an einer vorgewählten Position des Stellweges dieses Stellgliedes zu fixieren.
Bei dem dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiel ist ein Stellweg des Kolbens 103 im Gehäuse 102 des Arbeitszylinders 101 als erstes Stellglied für eine Grobpositonierung und ein Stellweg des zweiten Stellgliedes 104 für eine Feinpositonierung des Objektes 111 vorgesehen.
Dabei ist der Arbeitszylinder 101 und der adaptronische Mikro-Aktor 104 gekoppelt in einer Reihenschaltung angeordnet. Beide Stellglieder 101,104 wirken entlang einer gemeinsamen Wirkungsachse D auf das Objekt.
Der adaptronische Mikro-Aktor 104 ist mit dem Gehäuse 102 des Arbeitszylinders 101 verbunden. Weiterhin ist in dem bevorzugten Ausführungsbeispiel nach 1C der adaptronische Mikro-Aktor ortsfest bezogen auf einen festen Bezugspunkt, also beispielsweise einen Referenzpunkt einer Fertigungsvorrichtung angeordnet und umfaßt vorzugsweise einen Piezo-Aktor.
In der beschriebenen Ausgestaltung ist die Stelleinrichtung gemäß 1C insbesondere zum Positionieren und/oder Fixieren eines Objektes geeignet, jedoch ist sie nicht auf dieses Ausführungsbeispiel mit einem Piezo-Aktor 104 und einem hydraulischen Zylinder 101 beschränkt. Abhängig vom notwendigen Stellweg ist jede Anzahl an hintereinanderund parallelgeschalteten Piezo-Aktoren 104 und/oder Zylindern realisierbar. Im weiteren wird aus Gründen der Einfachheit jedoch nur auf jeweils einen Piezo-Aktor 104 und einen hydraulischen Zylinder 101 Bezug genommen. Weiterhin ist die beschriebene Abfolge von Arbeitszylindern 101 und adaptronischen Mikroaktor 104 innerhalb der Reihenschaltung umkehrbar, wie aus einem Vergleich der Ausführungsbeispiele der Stelleinrichtungen nach 1C und 1D ersichtlich ist. Weiterhin können als adaptronische Mikroaktoren 104 ebenso andere Aktoren wie beispielsweise magneto/elektrostriktive Aktoren oder Formgedächtnis-Aktoren eingesetzt werden. Im weiteren wird jedoch aus Einfachheitsgründen die Wirkungsweise und Funktion des zweiten Stellgliedes ausschließlich am Beispiel eines Piezo-Aktors 104 beschrieben.
In dem in 1C gezeigten Ausführungsbeispiel ist eine Seite des Piezo-Aktors 104 mit einem ortsfesten Bezugssystem als Referenzkoordinatensystem, z.B. relativ zu einer Fertigungseinrichtung für eine Positionierung und/oder Fixierung des Objektes 111 verbunden, wohingegen die Lage einer zweiten Seite des Piezo-Aktors 104 entsprechend der Funktionsweise des Piezo-Aktors 104, d.h. einer Volumenänderung abhängig einer angelegten Regelgröße (Spannung oder Strom) relativ zu dem Bezugssystem, veränderbar ist. Diese zweite, in ihrer relativen Lage zum Bezugssystem veränderbare Seite des Piezo-Aktors 104 ist in diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel mit einer dieser Seite gegenüberliegenden Seitenfläche eines Gehäuses 102 des Arbeits-Zylinders 101 verbunden. Das Gehäuse 102 des Arbeits-Zylinders 101 ist in einer Führungsvorrichtung 107 entlang der Wirkungsachse D verschiebbar angeordnet. Über eine Veränderung einer Position der beschriebenen zweiten, also der frei beweglichen Seite des Piezo-Aktors wird eine Position des Gehäuses 102 des Arbeitszylinders 101 beeinflußbar. Diese Position ist dabei relativ zu dem erwähnten Bezugssystem definiert. Dadurch wird über eine steuerbare Änderung der relativen Lage der zweiten Seite des Piezo-Aktors 104 zum Bezugssystem eine Lage des Gehäuses 102 des Arbeits-Zylinders 101 relativ zu dem Bezugssystem einstellbar.
Ist also, wie beschrieben, der Kolben 103 des Arbeitszylinders 101 in einer vorgewählten Position des Kolbenhubes fixiert, wird eine Feinpositionierung des Objektes entlang einem kleinen Verstellweg durch das zweite Stellglied, also beispielsweise den Piezo-Aktor 104, realisiert. Dabei wirkt der Piezo-Aktor 104 direkt auf das Gehäuse 102 des Zylinders 101. Das Gehäuse 102 ist entlang der Wirkungsachse im Rahmen der Vorrichtung zur Führung 107 dieses Gehäuses 102 verschiebbar.
Über ein solches Zusammenwirken des in einem großen Verstellbereich veränderbaren Arbeitszylinders 101 und des in einem kleinen Stellbereich sehr genau steuerbaren Piezo-Aktors 104 kann das Objekt 111 entlang der Wirkungsachse der Stellglieder 101, 104 bei geringem Aufwand positioniert und fixiert werden. Der Kolben 103 des Zylinders 101 in dabei in einer frei wählbaren Position fixierbar, bevor das Objekt 111 mittels des Piezo-Aktors 104 genau positioniert wird.
In 2A wird eine schematische Darstellung einer Ansteuerung der im Zusammenhang mit 1 C beschriebenen Vorrichtung schematisch vorgestellt.
Dabei wird eine erreichte Ist-Position des Objektes 111 von einem Meßsystem (nicht gezeigt) erfaßt und an eine Steuereinrichtung 112 weitergeleitet. Diese Steuereinrichtung 112 beeinflußt die Vorrichtung zur Erzeugung einer Druckdifferenz 113 zwischen den Kammern im Zylindergehäuse 113 und/oder den Volumenstrom des hydraulischen Fluids, die Vorrichtung zur Erzeugung des Magnetfeldes oder des elektrischen Feldes 109, die relative Lage des Piezo-Aktors 104 und des Zylinderkolbens 103.
Das Meßsystem orientiert sich bei der präzisen Positionierung des Objektes 111 in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel an vorhandenen Marken bzw. Konturen des Objektes, also insbesondere des Werkstückes oder Werkzeuges. Eine Positionsbestimmung kann dabei direkt über ein Weg-Meßsystem oder indirekt mittels eines berührungslosen Meßsystems erfolgen.
Das Meßsystem weist dabei in einem Ausführungsbeispiel ein berührungsloses, optisches Meßsystem für eine Bestimmung einer Position des Objektes auf. Dabei ist es vorteilhaft, wenn mehrere Positionen des Objektes vor und/oder während und/oder bei Abschluß des Positioniervorganges mittels einer optischen Anordnung, beispielsweise eine Kamera zur Erfassung des sichtbaren Wellenspektrums, kontinuierlich oder in Intervallen oder zu einzelnen bestimmten Zeitpunkten erfaßt und über eine Bildanalyse ausgewertet werden.
Die Bildanalyse kann die direkte automatische oder manuelle Auswertung auf diese Art ermittelter Bilder beispielsweise auf Basis von Konturen des Objektes und/oder auf dem Objekt angebrachten Markierungen und/oder von Helligkeits- und/oder Farbunterschieden umfassen. Diese Auswertung kann auf den gesamten Bildinhalt oder nur auf Teilbereiche des bzw. des Bildes bezogen sein.
Über ein solches Meßsystem ist eine Lage eines Objektes oder eine Änderung der Lage eines Objektes, ausgehend von einem Startwert, beispielsweise eines Werkstückes relativ zu einem Werkzeug (oder auch umgekehrt oder beide relativ zueinander) hochpräzise erfaßbar und kontrollierbar.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel liegt einer Bestimmung und Kontrolle der Position oder der Veränderung der Position des Objektes 111 eine Erfassung einer elektromagnetischen Strahlung, beispielsweise Infrarotstrahlung, zugrunde. Ein Ausführungsbeispiel eines solchen berührungslosen Meßsystems weist zumindest eine Einrichtung zur Erfassung einer elektromagnetischen Strahlung, beispielsweise eine Infrarotkamera, auf, wobei eine Ist-Position des Objektes 111 (oder eine Veränderung der Ist-Position), über einen Vergleich mit gespeicherten Sollwerten und/oder Ist-Werten ermittelt wird.
Weiterhin ist im allgemeinen ein Erscheinungsbild einer Oberfläche des zu positionierenden und/oder zu fixierenden Objektes 111 unterschiedlich zu einem Erscheinungsbild einer Oberfläche von benachbarten Oberflächen, wie beispielsweise eines Positioniertisches einer Fertigungsmaschine oder einer Werkzeugaufnahme. Über einen solchen Unterschied in der Oberflächentextur ist es ebenso möglich, die Position des Objektes 111 zu ermitteln. Eine Methode zur Erkennung einer Textur einer Oberfläche kann beispielsweise die Messung von an der Oberfläche gestreuter elektromagnetischer Strahlung umfassen.
Ist eine Textur der Oberfläche des Objektes und/oder der benachbarten Oberflächen, vorzugsweise den Hintergrundes dieses Objektes, mittels einer Erkennungsmethode beispielsweise in Form von mehreren nacheinander aufgenommenen Bildern ermittelt, ist mittels eines Differenzbildvertahrens eine Ist-Position des Objektes bzw. eine Veränderung der Ist-Position und/oder eine Soll-Position bestimmbar.
Weiterhin ist ein Ist-Wert der verschiedenen Lage des ersten und des zweiten Stellgliedes über ein weiteres direkt oder indirekt wirkendes Meßsystem erfaßbar. Vorzugsweise wird ein Stellweg des Kolbens 103 und ein Stellweg des Piezo-Aktors 104 und eine Position des Zylindergehäuses 102 bzw. eine Änderung dieser Parameter über ein Weg-Meßsystem, bevorzugt induktive Wegaufnehmer erfaßt und an die Steuereinrichtung 112 weitergeleitet.
Eine Steuerung dieser Elemente erfolgt dabei nach vorgegebenen Sollwerten oder Sollwerttabellen, die vorzugsweise in einer Speichereinheit (nicht gezeigt) hinterlegt sind.
In 1D wird ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Stelleinrichtung für die vorliegende Vorrichtung zum Greifen und Spannen gezeigt.
Bezogen auf die beschriebene Reihenschaltung des vorstehend im Zusammenhang mit 1C beschriebenen Ausführungsbeispieles ist die Reihenfolge des ersten und des zweiten Stellgliedes, also in der beschriebenen Ausführungsform des Arbeitszylinders 101 und des Piezo-Aktors 104, getauscht. Dabei ist in dem Ausführungsbeispiel gemäß 1D das Gehäuse 102 des Arbeitszylinders 101 ortsfest mit dem Bezugssystem verbunden. Dementsprechend wird über die Bewegung des Kolbens 103 des Arbeitszylinders 101 eine Lage des Piezo-Aktors 104 relativ zu dem Bezugssystem eingestellt. Der Piezo-Aktor 104 ist mit dem Greiferbauteil 105 über eine Verbindungsvorrichtung 106 verbunden. Über diese Anordnung des Zylinders 101, des Piezo-Aktors 104 und des Greiferbauteiles 105 gemäß diesem weiteren Ausführungsbeispiel ist die Position des Objektes 111 relativ zu dem Bezugssystem des Referenzkoordinatensystems einstellbar.
Auch mit dieser Stelleinrichtung ist das Objekt 111 zunächst entlang eines großen Verstellweges verschiebbar, der Kolben 103 ist in einer gewählten Position fixierbar und eine Feinpositionierung des Objektes 111 ist über den Piezo-Aktor 104 durchführbar. Mittels des variablen Betriebsdruckes des Arbeitszylinders 101 ist eine einstellbare Spannkraft auf das Objekt 111 ausübbar.
Die entsprechende Ansteuerung der vorliegenden Vorrichtung mit der Stelleinrichtung gem. 1D ist in 2B dargestellt. Entsprechend dieser Ansteuerung wird eine erreichte Ist-Position des Objektes 111 und/oder der Lagen der Stellglieder 101,104 von zumindest einem Meßsystem erfaßt und an eine Steuerung weitergeleitet.
Die bevorzugte Ausgestaltung des bzw. der Meßsystem(s) in Bezug auf das Objekt 111 und die Stellglieder 101,104 entspricht der Ausgestaltung gemäß 1C . Über die Steuervorrichtung 113 wird der Kolbenhub und der Betriebdruck des Arbeitszylinders 101, das Magnetfeld oder das elektrische Feld und der Piezo-Aktor 104 nach vorgegebenen Sollwerten abhängig von den ermittelten Positionen angesteuert.
Bei beiden Ausführungsbeispielen nach den 2A und 2B kann das Meßsystem die Lage des Objektes 111 über ein direktes Verfahren oder mittels eines indirekten Verfahrens bestimmen.
Werden zwei oder mehrere der in den 1A bis 1D gezeigten Stelleinrichtungen 100,101 gemäß entlang einer gemeinsamen Wirkungsachse jedoch auf gegenüberliegenden Seiten des Objektes 111 angeordnet, wird eine freie Positionierung des Objektes 111 im Rahmen der Stellwege der Stelleinrichtungen 100,101 entlang dieser gemeinsamen Wirkungsachse möglich. Dabei können sowohl jeweils gleiche Stellglieder oder unterschiedliche Stellglieder miteinander kombiniert werden. Ein sich auf dieser Wirkungsachse befindendes Objekt 111 kann erfaßt, zwischen den Stelleinrichtungen zentriert oder positioniert, mit einer Vorspannkraft beaufschlagt und präzise positioniert werden. Dabei können derartige Kombinationen zweier (oder mehrerer) Stelleinrichtungen gem. den 1A bis 1D als Elemente eines Baukastensystems betrachtet werden. Gleichermaßen ist eine Möglichkeit zur Integration in Positioniertische oder Werkzeugaufnahmen oder als Bestandteil intelligenter Werkstückaufnahmen (z.B. für separate Voreinstellung) gegeben. Dabei ist eine Mehrzahl an Stelleinrichtungen gem. den 1A bis 1D in serieller und/oder parallelen Anordnung kombinierbar, wobei jeweils zumindest zwei der Stelleinrichtungen entlang einer Wirkungsachse D angeordnet sind. Dadurch wird eine Vorrichtung geschaffen, die eine Position eines Objektes 111 im dreidimensionalen Raum im Rahmen der Stellwege der Stelleinrichtungen frei wählbar und positionierbar ermöglicht.
Ebenso ist denkbar, eine oder mehrere der Stelleinrichtungen gem. den 1A-1D einerseits und eine separate Rückstelleinheit andererseits entlang einer gemeinsamen Wirkachse aber auf gegenüberliegenden Seiten des Objektes 111 anzuordnen, wodurch eine auf das Objekt durch die Stelleinheit ausgeübte Kraft durch die Rückstelleinheit aufnehmbar wird.
3 zeigt als Beispiel für eine Baukastenanordnung der Stelleinrichtungen gemäß den 1A bis 1D eine Kombination aus vier Stelleinrichtungen gem. 1C , wobei jeweils zwei Stelleinrichtungen entlang einer gemeinsamen Wirkungsachse und auf gegenüberliegenden Seiten des Objektes 111 angeordnet sind. Dabei sind eine erste und eine zweite Stelleinrichtung gem. 1C (200,210) entlang einer ersten Wirkungsachse gegenüberliegende Seiten des Objektes angeordnet. Zudem sind eine dritte und eine vierte Stelleinrichtung 220,230 entlang einer zweiten Wirkungsachse angeordnet, wobei sich die erste und die zweite Wirkungsachse in einem gemeinsamen Schnittpunkt unter einem Winkel schneiden. Vorzugsweise liegt der Schnittpunkt im Schwerpunkt des zu positionierenden und zu fixierenden Objekts 111 und der Winkel beträgt 90°. Dadurch wird eine Positionierung und/oder Fixierung des Objektes 111 entlang der durch die Wirkungsachsen gebildeten Koordinatenebene im Rahmen der Stellwege der Stellglieder möglich. Dadurch wird bevorzugt eine Vorrichtung geschaffen, welche eine Position eines Objektes 111 genau einstellt und mittels einer Vorspannkraft fixiert. Dadurch wirkt ein flexibles Greifersystem auf eine Kontur, z.B. eines Werkstückes oder Werkzeuges. Dieser wird fixiert und in den Fangbereich einer Feinpositionierung gestellt.
Diese Feinpositionierung orientiert sich an vorhandenen Marken oder Konturen des Werkstückes oder Werkzeuges und stellt dieses Objekt 111 präzise zu einem Referenzkoordinatensystem, z. B. einer Fertigungsanlage, ein, um es daran anschließend in dieser Lage zu spannen.
Das vorstehend beschriebene Verfahren wird hauptsächlich zur hochpräzisen Positionierung und Fixierung eines Werkstückes relativ zu einem Bearbeitungswerkzeug bzw. zur hochpräzisen Positionierung und Fixierung eines Werkzeuges relativ zu einem zu bearbeitenden Werkstück in der Mikrotechnik verwendet.
Dabei wird zunächst das Werkstück (oder das Werkzeug) mittels des Arbeitszylinders in eine ungefähre Soll-Position, bezogen auf das Bearbeitungswerkzeug (oder das zu bearbeitende Werkstück) im Rahmen der Positioniergenauigkeit des Arbeitszylinders gebracht. Der Kolben des Arbeitszylinders wird in diesem Zustand in seiner Lage festgelegt durch Anlegen eines entsprechenden elektrischen oder magnetischen Feldes. Mittels des adaptronischen Mikroaktors wird anschließend das Werkstück (oder das Werkzeug) in eine gewünschte Endlage hochpräzise bewegt.
Eine entsprechende Einspannkraft wird dabei über den hydraulischen Druck im Zylinder vorgegeben. Weist der adaptronische Mikroaktor einen Piezo-Aktor auf, so wird in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel diese Einspannkraft über diesen Piezo-Aktor erfaßt und kontrolliert.
Die erreichte Endlage des Objektes und/oder eine Zwischenlage während des Positionierens des Objektes wird bevorzugt über eine optische Meßanordnung zusammen mit einer nachgeschalteten Bildanalyse erfaßt und kontrolliert.
Die Einspannkraft wird vorzugsweise konstant gehalten, indem das Feinpositionieren des Werkstückes relativ zu einem Bearbeitungswerkzeug mittels der adaptronischen Mikroaktoren derart erfolgt, daß die Einspannkraft des ersten Stellgliedes (also des Arbeitszylinders) erhalten bleibt, und auf der gegenüberliegenden Seite des Werkstückes angeordnete Mikroaktoren und/oder Rückstellelemente gleichartige Bewegungen in gleicher Richtung ausführen.
Aus der vorstehenden Beschreibung ist weiterhin beispielhaft ein Verfahren zum Greifen, Feinpositionieren und Spannen von Werkstücken oder Werkzeugen mittels eines Arbeitszylinders mit magnetorheologischem Fluid (MRF) oder elektrorhelogischem Fluid (ERF), einem Greiferteil, einem Piezo-Aktor, einem steuerbaren Magnetfeld/elektrischen Feld, einer Steuerung und einem Meßsystem offenbart, wobei das Werkstück oder Werkzeug zwischen dem Greiferteil erfaßt wird, in welchem der verfügbare Fangebereich durch den Hub des Arbeitszylinders definiert ist, wobei der von der Steuerung aktivierte Piezo-Aktor zwischen Kolbenstange des Arbeitszylinders und Greiferteil angeordnet ist, wodurch eine präzise Einstellung einer Sollposition des Objektes eingestellt wird, wobei die Ist-Position des Objektes von einem Meßsystem erfaßt wird, und wobei die letztendlich erreichte Position durch ein steuerbares Magnetfeld/elektrisches Feld über das MRF/ERF verfestigt wird und somit die Lage des Objekts fixiert/gespannt wird.
Ebenfalls ist beispielhaft ein Verfahren zum Greifen, Positionieren, Feinpositionieren und Spannen von Werkstücken oder Werkzeugen mittels Arbeitszylinder mit der MRF/der ERF, einem Greiferteil, einem Piezo-Aktor, einem steuerbaren Magnetfeld, einer Steuerung und einem Meßsystem beschrieben, wobei ein in einem definierten Fangbereich befindliches Werkstück oder Werkzeug an einem Greiferteil erfaßt wird, wobei der Arbeitszylinder mit MRF/ERF durch die Steuerung so angesteuert wird, daß eine Sollposition präzise erreicht wird, die vom Meßsystem erfaßt wird, wobei durch die Steuerung nach Erreichen dieser Position ein Magnetfeld/elektrisches Feld aktiviert wird, das die MRF/ERF derart verfestigt, daß der Kolben des Arbeitszylinders in seiner Position fixiert wird und somit das Werkstück oder Werkzeug spannt, wobei auf das Zylindergehäuse, (welches in Achsrichtung des Arbeitszylinders eine Führung aufweist) einwirkende Piezo-Aktoren, die von der Steuerung aktiviert werden, wodurch das vorgenannte Werkstück oder Werkzeug in eine Sollposition gestellt wird, und wobei die Piezo-Aktoren in einer zu erreichenden Stellung (welche mittels des Meßsystems erfaßt wird) verharren und somit die erreichte Endposition des Werkstückes oder Werkzeuges arretieren.
Dabei kann das Greiferteil beim Fixieren und Spannen nicht formstabiler Werkstücke oder Werkzeuge eine zusätzliche Ausgleichsbewegung mittels Arbeitszylinder mit MRF/ERF oder Piezo-Aktoren ausführen, damit die erforderlichen bzw. maximal zulässigen Spannkräfte beibehalten werden.
Weiterhin können durch eine entsprechende konstruktive Auslegung des Arbeitszylinders, durch die statischen und dynamischen Eigenschaften des MRF/ERF, durch den Betriebsdruck des MRF/ERF, und/oder die Veränderung der Magnetfeldstärke/elektrischen Feldstärke und das Übertragungsverhalten der Steuerung eine variable Spannkraft am Greifer eingestellt werden.
Zudem kann die Relativlage zwischen Werkstück und Werkzeug durch ein direktes Meßsystem erfaßt werden, das Werkzeug ein Trägersystem besitzen und die Lage des Werkzeuges zum Werkstück mittels Arbeitszylinder mit MRF/ERF und/oder Piezo-Aktoren feinpositioniert und gespannt werden.
Außerdem kann die Relativlage zwischen Werkstück und Werkzeug durch ein direktes Meßsystem erfaßt werden, wobei das Werkstück ein Trägersystem besitzt und die Lage des Werkstücks zum Werkzeug mittels Arbeitszylinder mit MRF/ERF und/oder Piezo-Aktoren feinpositioniert und gespannt wird.
Ebenfalls wird in der vorstehenden Beschreibung eine Vorrichtung zum Greifen, Positionieren, Feinpositionieren und Spannen von Werkstücken oder Werkzeugen mit einem Arbeitszylinder mit MRF/ERF, einem Greiferteil, einem Piezo-Aktor, einem steuerbaren Magnetfeld/elektrischen Feld, einer Steuerung und einem Meßsystem offenbart, wobei der Arbeitszylinder mit MRF/ERF, der Piezo-Aktor und das Greiferteil in einer Achse einseitig angeordnet sind, wobei die Rückstellung durch Federkraft oder einen elastischen Anschlag erfolgt, der außerhalb oder innerhalb des Arbeitszylinders angeordnet sein kann.
Es ist gleichermaßen eine Anordnung zum Greifen, Positionieren, Feinpositionieren und Spannen von Werkstücken oder Werkzeugen mit einem Arbeitszylinder mit MRF/ERF, einem Greiferteil, einem Piezo-Aktor, einem steuerbaren Magnetfeld/elektrischen Feld, einer Steuerung und einem Meßsystem offenbart, wobei der Arbeitszylinder mit MRF/ERF, der Piezo-Aktor und das Greiferteil in einer Achse zweiseitig zum Werkstück oder Werkzeug angeordnet sind, wobei eine eindimensionale Feinpositionierung erreicht wird.
Dabei kann jegliche serielle oder parallele Kombination dieser Vorrichtungen realisiert sein. Ebenfalls können diese Vorrichtungen auf mehrachsige Anordnungen übertragen werden, wobei damit mehrdimensionale kartesische, polare oder nichtkartesische Feinpositionier- und Spannachsen entstehen. Weiterhin können flexible Greifer für unterschiedliche Konturen des Werkstückes oder Werkzeuges zur Verfügung stehen, wobei diese zur Kolbenstange austauschbar sind.
Zudem können Arbeitszylinder und Piezo-Aktor fluchtend auf einem Träger angebracht sein, der eine Verdrehung der Achse innerhalb des Feinpositionierbereiches ermöglicht.
Außerdem kann der Arbeitszylinder eine flexible Kolbenstange aufweisen, die Achsauslenkungen innerhalb des Bereiches der Feinpositionierung zuläßt.
Schließlich kann anstelle des mit MRF/ERF gefüllten Arbeitszylinders en hydraulischer Zylinder mit Sperrventilen eingesetzt werden.

Claims

Vorrichtung zum Greifen und Spannen eines Objektes, insbesondere für die Mikrofertigung, mit einem Fixierzapfen, der mit dem Objekt verbindbar, der in einem Behälter zumindest teilweise aufgenommen und der in diesem Behälter bewegbar vorgesehen ist, wobei in dem Behälter eine elektrorheologische oder magnetorheologische Flüssigkeit aufgenommen und der Behälter von einem steuerbaren elektrischen oder magnetischen Feld durchsetzt ist, und wobei das Objekt relativ zum Behälter mittels Steuerung des elektrischen oder magnetischen Feldes fixierbar ist.
Vorrichtung zum Greifen und Spannen eines Objektes nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung zur Erzeugung des elektrischen oder magnetischen Feldes außerhalb des Behälters angeordnet ist.
Vorrichtung zum Greifen und Spannen eines Objektes nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter und/oder der Fixierzapfen als Einrichtungen zur Erzeugung des elektrischen oder magnetischen Feldes ausgebildet sind.
Vorrichtung zum Greifen und Spannen eines Objektes nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Fixierzapfen mit einem geringeren Außenmaß als einem Innenmaß des Behälters in den Behälter eintaucht.
Vorrichtung zum Greifen und Spannen eines Objektes nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Objekt einen Werkstückträger und/oder ein Werkstück und/oder eine Werkzeugaufnahme umfaßt.
Vorrichtung zum Greifen und Spannen eines Objektes nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter als Zylindergehäuse und der Fixierzapfen als Kolben ausgebildet sind, wobei der Kolben in dem Zylindergehäuse bewegbar angeordnet ist.
Vorrichtung zum Greifen und Spannen eines Objektes nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch zumindest einen Aktor, der auf den Fixierzapfen oder den Behälter oder das Objekt einwirkt, wobei der Aktor zu einer Positionierung des Objektes vorgesehen ist.
Vorrichtung zum Greifen und Spannen eines Objektes nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Aktor als adaptronischen Mikro-Aktor ausgebildet ist.
Vorrichtung zum Greifen und Spannen eines Objektes nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der adaptronische Mikro-Aktor einen Piezo-Aktor oder einen magneto-/elektrostriktiven Aktor oder einen Formgedächtnis-Aktor aufweist.
Vorrichtung zum Greifen und Spannen eines Objektes nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der adaptronische Mikro-Aktor zu einer Messung einer Kraft bei der Fixierung des Objektes vorgesehen ist.