DE19542452A1 - Biaxial translation-rotation module with piezo drive e.g. for precision axle drives - Google Patents

Abstract

The Translation-Rotation Module with multiple piezo-device drives has two axis elements for Translation and Rotation with parallel long axes. A rotationally stiff Translation axis element has a boring parallel to its long axis through the Rotation axis for a shaft. In a Translation movement the Rotation drive may be simultaneously applied. All drive elements are piezo-electric devices.

Description

Achsantriebe über Gewindespindeln, Getriebe, Motoren die Lage­ rung der Bewegungsschlitten auf Rollen, Gleitbahnen in Luftla­ gerung Öllagerung ist allgemeiner Stand der Technik. Für hoch­ genaue Achsantriebe gibt es auch vorgespannte Bewegungselemen­ te. Da der Antrieb jedoch in der Regel über einen Motor mit ma­ gnetischer Kraftübertragung erfolgt, bleibt im Stillstand eine Stromaufnahme mit nicht formschlüssiger Positionshaltung. Ein Piezo erzeugt sowohl bei der Bewegung als auch im Still­ stand eine stromlose, formschlüssige Positionshaltung. Auf die­ se Weise sind bei piezogetriebenen Achsen sämtliche bewegten Teile, auch bei 6 und mehr Achsen, immer auch - in der Bewegung - zu einem formschlüssigen Gesamtkörper verbunden, dadurch das der Piezo Bewegungs- und Führungsaufgaben übernimmt.Axle drives via threaded spindles, gears, motors the situation movement slides on rollers, slideways in air Oil storage is the general state of the art. For high there are also precise axle drives with preloaded movement elements te. However, since the drive is usually via a motor with ma gnetic power transmission takes place, remains at a standstill Current consumption with non-positive positioning. A piezo creates both when moving and while still stood a de-energized, positive position. On the In the case of piezo-driven axes, all are moved Parts, even with 6 and more axes, always - in motion - connected to a form-fitting body, thereby the the piezo takes over movement and management tasks.

Somit sind sämtliche Lose aus Lagerspiel, Gewindespiel insbe­ sondere Umkehrspiel, Gleitspiel in Führungen, Zahnspiel in Ge­ trieben beseitigt.Thus, all lots from bearing play, thread play are in particular special backlash, sliding play in guides, tooth play in Ge driven eliminated.

Noch so hoch entwickelte Einzelkomponenten vermögen im Zusam­ menspiel nicht die Anforderungen zu erfüllen, die an die Posi­ tioniergenauigkeit gestellt werden müssen bei zunehmend minia­ turisierten Bauteilen in allen Bereichen der Technik.Even the most highly developed individual components can work together menspiel not to meet the requirements of the Posi with minia turized components in all areas of technology.

Ein Piezo besteht aus einem Stapel Keramikscheiben im Wechsel mit Kupferscheiben. Wird eine Spannungsdifferenz auf die beiden Flächen der Keramikscheibe gegeben ändert sich die Dicke der Scheibe, je nach Höhe der Spannung sehr genau dosierbar im nm- Bereich. Nur während der Volumenänderung fließt ein Strom. Die Volumenänderung erfolgt im ns-Bereich und wird ohne Stromfluß beibehalten bis zur nächsten Spannungsänderung. Auf diese Weise arbeitet ein Piezo äußerst wirtschaftlich, da keine Magnetfeld Verluste, Spaltverluste, Blindstromverluste, Luftreibungsverlu­ ste und so weiter entstehen. Ein Piezo ist außerdem hochsensi­ bel-sensorfähig und kann die durchgeführte Kraft sehr genau zu­ rückmelden, aus der dann Zustände analysiert werden können. In Fig. 1 sind Piezoantriebselemente mit Hubvervielfachung ein­ gesetzt aus der Offenlegungsschrift 44 23 155.5. Für die Tranla­ tionsachse 1 sind die Elemente 3 immer paarweise im Einsatz d. h. wenn ein Element aktiv ist also in Schubaktion befindet sich das zugeordnete auf dem Rückweg um vor Beendigung des Hub­ vorganges des ersten Elementes wieder zuzugreifen und die Bewe­ gung übergangslos fortzuführen. Im vorliegenden Ausführungsbei­ spiel sind im Gehäuse 4 zwölf Beine zu sechs Paaren für die Translation tätig, und jeweils sechs zu drei Paaren für die Ro­ tation auf jeder Seite im Gehäuse 5 also ebenfalls zwölf Beine zu sechs Paaren.A piezo consists of a stack of ceramic disks alternating with copper disks. If a voltage difference is applied to the two surfaces of the ceramic disk, the thickness of the disk changes, depending on the amount of tension, can be metered very precisely in the nm range. A current flows only during the volume change. The volume change takes place in the ns range and is maintained without current flow until the next voltage change. In this way, a piezo works extremely economically since there are no magnetic field losses, gap losses, reactive current losses, air friction losses and so on. A piezo is also highly sensitive and can report the force applied very accurately, from which states can then be analyzed. In Fig. 1, piezo drive elements with stroke multiplication are set from the published patent application 44 23 155.5. For the Tranla tion axis 1 , the elements 3 are always in pairs in use, that is, when an element is active, i.e. in push action, the associated one is on the way back to access the first element again before the end of the lifting process and to continue the movement without transition. In the present exemplary embodiment, four legs for six pairs are active in the housing 4 for translation, and six for three pairs for the rotation on each side in the housing 5, thus also twelve legs for six pairs.

Als Werkstück ist im vorliegenden Fall ein Glas 6 gezeichnet, das für die Bearbeitung drei solcher Achsmodule benötigt für die Achsen XYZ und die jeweiligen Achsen ABC. Die Fig. 1 zeigt die Liniar-Achse X=1 und die Drehachse A=2. Entscheidend für die Bewegungsfreiheit unter dem Werkzeug 7 ist der Abstand hier z. B. 40mm. Die Antriebselemente 3 sind daher so anzuordnen, daß der zur Verfügung stehende Freiraum 19mm möglichst wenig beein­ trächtigt wird zu Schwenken der C-Achse 8 unter dem Bearbei­ tungskopf 7.In the present case, a glass 6 is drawn as the workpiece, which requires three such axis modules for the axes XYZ and the respective axes ABC for machining. Fig. 1 shows the liniar axis X = 1 and the axis of rotation A = 2. Decisive for the freedom of movement under the tool 7 is the distance here z. B. 40mm. The drive elements 3 are therefore to be arranged so that the available space 19 mm is affected as little as possible to pivot the C-axis 8 under the machining head 7th

Die trapezförmige Ausführung des Translations-Elementes ermög­ licht die Einspannung rundum, das ist erforderlich um sämtliche Gleitlagerung zu vermeiden und die Führung nur den Piezoelemen­ ten zu übergeben. Das Gleiche wird beim Rotationselement durch die Dreipunktlagerung, gezeigt im Schnitt A-B, erreicht. Der Zugriff der einzelnen Antriebselemente 3 muß daher von der Steuerung so organisiert werden, daß immer ein gleichzeitiger Zugriff am Umfang erfolgt ohne das ein Biege- oder Torsionsmo­ ment entsteht.The trapezoidal design of the translation element allows light to be clamped all around, which is necessary to avoid all plain bearings and to transfer the guidance only to the piezo elements. The same is achieved for the rotating element by the three-point bearing, shown in section AB. The access of the individual drive elements 3 must therefore be organized by the controller so that there is always a simultaneous access to the scope without a Biege- or Torsionsmo element.

Mit der Kraftansteuerung der Andrückpiezos kann eine permanente Zentrierung der Achselemente geregelt werden selbst dynamisch unter Bearbeitungsbelastung.With the force control of the pressure piezos, a permanent Centering of the axis elements are regulated themselves dynamically under processing load.

Die Absolutpositionen werden durch Skalierung der Achselemente erreicht wobei der Optik-Sensor für die Translationsbewegung im Gehäuse 4 untergebracht ist und der für die Rotationsbewegung im Translations-Element.The absolute positions are achieved by scaling the axis elements, the optical sensor for the translation movement being accommodated in the housing 4 and that for the rotation movement in the translation element.

Statt der Piezo-Antriebs-Elemente können für große Kräfte und weniger genaue Antriebe zum Beispiel Hebebühnen auch Fluid-Hub- Elemente, wie im Anspruch 3, verwendet werden.Instead of the piezo drive elements can be used for large forces and less precise drives for example lifting platforms also fluid lifting Elements as in claim 3 can be used.

Unter Beibehaltung weitgehender Spielfreiheit können für unter­ geordnete Aufgaben ohne hohen Genauigkeitsanspruch auch Frikti­ onsantriebe, wie im Anspruch 4, eingesetzt werden.While maintaining extensive freedom of play can be used for under orderly tasks without high accuracy requirements also Frikti on drives as used in claim 4.

Claims (4)

1. Translations - Rotations - Modul mit Multi-Piezo-Antrieb da­ durch gekennzeichnet, daß zwei Achselemente für Translation und Rotation mit ihren Längsachsen parallel liegen derart, daß das verdrehsteife Translations-Achselement eine Bohrung aufweist parallel der Längsachse durch die das Rotations-Achselement, in der Regel eine Welle, dessen Antrieb wenigstens auf einer Seite verdrehsteif an dem Translations-Achselement angeordnet ist und bei einer Translationsbewegung mitbewegt wird, so daß bei Betä­ tigung des Rotationsantrieb die Welle als Rotations-Achselement in dem Translations-Element gleichzeitig gedreht werden kann.1. Translations - Rotations - Module with multi-piezo drive since characterized in that two axis elements for translation and rotation are parallel with their longitudinal axes such that the torsionally stiff translation axis element has a bore parallel to the longitudinal axis through which the rotary axis element, usually a shaft, the drive is arranged at least on one side torsionally rigid on the translation axis element and is moved during a translation movement, so that when actuating the rotary drive, the shaft can be rotated simultaneously as a rotation axis element in the translation element. 2. Anspruch nach 1 dadurch gekennzeichnet, daß als Antrieb Pie­ zoelemente verwendet werden.2. Claim according to 1, characterized in that as the drive Pie zoelements are used. 3. Anspruch nach 1 u. 2 dadurch gekennzeichnet, daß als Antrieb Fluid-Dehnelemente verwendet werden.3. Claim according to 1 u. 2 characterized in that as a drive Fluid expansion elements are used. 4. Anspruch nach 1-3 dadurch gekennzeichnet, daß als Antrieb Friktionsräder verwendet werden.4. Claim according to 1-3, characterized in that as a drive Friction wheels are used.