DE19603446A1 - Positioniervorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Positioniervorrichtung zur Verwendung bei Meßgeräten und Zerspanungsmaschinen.

Im Stand der Technik sind als Positioniervorrich­ tung oder Lageneinstellvorrichtung mit vergleichsweise großen Hüben für verschiedene Werkzeugmaschinen und Meßgeräte solche eines Zylinderservotyps gemäß Fig. 8, eines Schraub(spindel)servotyps gemäß Fig. 9 und eines Linearmotorservotyps gemäß Fig. 10 bekannt.

Die Vorrichtung gemäß Fig. 8 umfaßt einen Tisch 52, der für Linearbewegung auf einem Lager bzw. Support 51 gelagert ist, und einen (Druck-)Luftzylin­ der 58 für den Antrieb des Tisches 52. Im Luftzylin­ der 58 wird ein Kolben 55 unter einem Wirkdruck in zwei durch den Kolben 55 in einem Zylinder 59 voneinander getrennten Druckkammern verschoben, so daß der mit dem Kolben 55 über eine Verbindungsstange 56 verbundene Tisch 52 angetrieben, d. h. verschoben wird. Der Tisch 52 ist mit einer Linearskala 53 versehen; eine vorbestimmte Positionierung wird durch Detektieren oder Abgreifen der Stellung des Tisches 52 mittels eines Meßkopfes 54 und durch Rückkoppeln oder -melden der Stellung zum Luftzylinder 58 ermöglicht.

Bei der Schraubspindelservovorrichtung gemäß Fig. 9 ist ein(e) Mutter oder Innengewindestück 60 einer Kugelschraubspindel mit dem Tisch 52 verbunden, der auf dem Support 51 gelagert ist und dadurch linear verschoben wird, daß eine mit dem Innengewindestück 60 in Eingriff stehende Schraubspindel 61 durch einen Motor 62 gedreht wird.

Bei der Linearmotorservovorrichtung gemäß Fig. 10 bilden ein Trag- oder Supportkörper 51 und ein Tisch 52 einen Linearmotor für den Direktantrieb des Tisches 52.

Die beschriebenen, herkömmlichen Positioniervor­ richtungen sind jedoch mit den nachstehend angegebenen Problemen behaftet.

Da bei der Zylinderservovorrichtung nach Fig. 8 der Kolben 55 unter Zwischenfügung eines Dichtglieds 57 im Zylinder 59 gleitet, tritt ein dynamischer Wider­ stand oder eine dynamische Gegenwirkkraft auf, durch dessen (deren) Differenz die Positioniergenauigkeit beeinträchtigt wird. Bei einem direkt wirkenden Zylin­ der eines Durchmessers von 40 mm unter Verwendung eines Harz-Dichtglieds 57 beträgt beispielsweise der Gleit­ widerstand im Mittel 1,52 N, und er verursacht Diffe­ renzen von 2 σ = 0,35 N. Bei einem einen Hydraulikdruck von 2 MPa anwendenden Servomechanismus kann die Posi­ tionier-Wiederholungsgenauigkeit (2 σ) nicht besser sein als 1,2 µm.

Außerdem beeinflußt die Differenz dieses dynami­ schen Widerstands oder dieser dynamischen Gegenwirk­ kraft auch die Arbeitsgeschwindigkeit. Dadurch ergibt sich ein Problem, daß die dynamische Positioniergenau­ igkeit im Fall, daß eine gleichmäßige maschinelle Bear­ beitung erforderlich ist, z. B. bei einer Laserbearbei­ tungsmaschine, stark verschlechtert ist. Bei der beschriebenen hydraulischen Servovorrichtung liegt z. B. die Dimensions- oder Maß-Differenz (2 σ) bei maschinel­ ler Bearbeitung mit einer Geschwindigkeit von 3 m/min in der Größenordnung von 4,5 µm.

Weiterhin führt die Differenz des dynamischen Widerstands oder der dynamischen Gegenwirkkraft zu Änderungen der Steifheit in der Arbeits-Axialrichtung. Wenn diese Vorrichtung für den Werkstückvorschub bei einer Drehbank, einer Fräsmaschine o. dgl. eingesetzt wird, ergibt sich ein Problem, daß in der bearbeiteten Fläche unter Beeinträchtigung der Bearbeitungsgenauig­ keit ein wellenförmiges Muster entsteht.

Obgleich bei der Schraubspindelservovorrichtung gemäß Fig. 9 die Positioniergenauigkeit verbessert ist, ist zwischen dem Innengewindestück 60 und der Schraub­ spindel 61 eine Punkt- oder Linienberührung vorhanden, wodurch Schwingung erzeugt oder die Steifheit beein­ trächtigt wird. Bei Verwendung einer Kugel(umlauf)­ schraubspindel ergeben sich Änderungen der Steifheit in der Axialrichtung aufgrund unterschiedlicher Kugel­ durchmesser. Hieraus resultiert ein Problem einer man­ gelhaften Bearbeitungsgenauigkeit.

Die in Fig. 10 dargestellte Linearmotorservovor­ richtung mit einem hydrostatischen Schlitten (slide) gewährleistet zwar gut Stabilität und hohe Positionier­ genauigkeit, doch ist sie mit dem Problem behaftet, daß der den Tisch 52 in der Arbeits-Axialrichtung haltende Faktor lediglich die Haltekraft des Linearmotors ist; folglich ist die Steifheit in der Arbeits-Axialrichtung außerordentlich gering. Diese Vorrichtung kann deshalb zwar für Meßgeräte und Laserbearbeitungsmaschinen ein­ gesetzt werden, doch ist sie für den Werkstückvorschub bei Drehbänken und Fräsmaschinen ungeeignet.

Im Stand der Technik ist mithin keine Positionier­ vorrichtung bekannt, welche die hohe Steifheit einer Zylinderservovorrichtung in Verbindung mit den gleich­ mäßigen Positioniereigenschaften einer Linearmotor­ servovorrichtung aufweist.

Aufgabe der Erfindung ist damit die Schaffung einer verbesserten Positioniervorrichtung, welche die hohe Steifheit einer Zylinderservovorrichtung mit den gleichmäßigen Positioniereigenschaften einer Linear­ motorservovorrichtung in sich vereinigt.

Gegenstand der Erfindung ist eine Positioniervor­ richtung, bei der ein Kolben mit einem (angeformten) Tisch in einem Zylinder angeordnet und geführt ist, bei der Druckeinstellmittel an zwei durch den Kolben von­ einander getrennten Druckkammern im Zylinder vorgesehen sind, bei der ein Gas in einen Zwischenraum zwischen dem Kolben und dem Zylinder eingeblasen wird, um den Kolben hydrostatisch zu lagern, und bei der dieses ein­ geblasene Gas in die beiden Druckkammern eingeleitet wird, um den Kolben und den Tisch durch die Druckdiffe­ renz oder den Wirkdruck zwischen den beiden Druckkam­ mern anzutreiben oder zu verschieben, wobei die an den beiden Druckkammern vorgesehenen Druckeinstellmittel Düsen zum Einlassen (emitting) von Gas in die Druckkam­ mern sowie Druckeinstellkörper zum Ändern des Öffnungs­ grads der Ausblasöffnung jeder Düse umfassen.

Gegenstand der Erfindung ist auch eine Positioniervor­ richtung, bei der ein Tisch auf einer Achse in der Axialrichtung verschiebbar geführt ist, die Druckein­ stellmittel an zwei Druckkammern aufweist, bei der in der Linearrichtung flexible Dichtungsglieder an den Stirnflächen des Tisches vorgesehen sind und bei der ein Gas in einen Zwischenraum zwischen dem Tisch und der Achse eingeblasen wird, um den Tisch hydrostatisch zu lagern und das Gas zum Antreiben oder Verschieben des Tisches durch die (den) zwischen den beiden Druck­ kammern erzeugte(n) Druckdifferenz oder Wirkdruck in die beiden Druckkammern einzuleiten, wobei die an den beiden Druckkammern vorgesehenen Druckeinstellmittel Düsen zum Einlassen (emitting) von Gas in die Druckkam­ mern sowie Druckeinstellkörper zum Ändern des Öffnungs­ grads der Ausblasöffnung jeder Düse umfassen.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist deren Gegenstand eine Positioniervorrichtung, bei der ein Drehkörper mit einem rotierenden, zylindrischen Achs­ abschnitt und einem angeformten, ungefähr fächerförmi­ gen Antriebsteil drehbar im Innenraum eines Zylinders aufgenommen ist, bei der Druckeinstellmittel an zwei zwischen dem Antriebsteil des Drehkörpers und dem Innenraum des Zylinders geformten Arten (verschiedenen) Druckkammern vorgesehen sind und bei der ein Gas in einen Zwischenraum zwischen dem Drehkörper und dem Zylinder eingeblasen wird, um den Drehkörper hydrosta­ tisch zu lagern und das eingeblasene Gas in die beiden Arten von Druckkammern einzuführen und damit den Dreh­ körper durch die (den) Druckdifferenz oder Wirkdruck zwischen den beiden Druckkammern in der Drehrichtung anzutreiben, wobei die an den beiden Arten von Druck­ kammern vorgesehenen Druckeinstellmittel Düsen zum Ein­ lassen (emitting) von Gas in die Druckkammern sowie Druckeinstellkörper zum Ändern des Öffnungsgrads der Ausblasöffnung jeder Düse umfassen.

Bei der erfindungsgemäßen Positioniervorrichtung kann ein Kolben, ein Drehkörper o. dgl. durch Einstel­ lung des Drucks in jeder Druckkammer mittels eines Druckeinstellmittels in Schwingung bzw. Bewegung ver­ setzt werden. Da die Positioniervorrichtung dabei einen Zylinderservomechanismus aufweist, kann sie eine hohe Steifheit in der Antriebsrichtung aufweisen, und da bei ihr der Kolben, der Drehkörper o. dgl. hydrostatisch gelagert oder geführt ist, sind der dynamische Wider­ stand und die dynamische Gegenwirkkraft ziemlich klein. Da sie ferner keinen Gleit- oder Biegeabschnitt auf­ weist, tritt keine zeitabhängige Änderung auf, so daß eine stabile (zuverlässige) wiederholte Positionierung über einen langen Zeitraum hinweg möglich ist.

Das in bzw. an jeder Druckkammer befindliche Druckeinstellmittel kann den in ersterer herrschenden Druck bei kleinem Öffnungsgrad der Ausblasöffnung der Düse durch kleine Verschiebung der Druckeinstellscheibe erhöhen und andererseits den Druck in der Druckkammer verringern, wenn der Öffnungsgrad der Ausblasöffnung der Düse groß eingestellt wird. Dies bedeutet, daß lediglich durch Einstellung des Öffnungsgrads mit der Druckeinstellscheibe der in der Druckkammer herrschende Druck einfach eingestellt bzw. geregelt werden kann.

Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung im Vergleich zum Stand der Technik anhand der Zeichnung näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung einer Posi­ tioniervorrichtung gemäß der Erfindung,

Fig. 2 einen Schnitt längs der Linie X-X in Fig. 1,

Fig. 3 eine Darstellung zur Veranschaulichung der Steuermethode bei der erfindungsgemäßen Posi­ tioniervorrichtung,

Fig. 4(A) und (B) Schnittansichten anderer Ausfüh­ rungsformen des Druckeinstellteils bei der erfindungsgemäßen Positioniervorrichtung,

Fig. 5 eine perspektivische Darstellung einer ande­ ren Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 6 einen Schnitt längs der Linie Y-Y in Fig. 5,

Fig. 7(A) eine Seitenansicht noch einer anderen Ausfüh­ rungsform der Erfindung,

Fig. 7(B) einen Schnitt längs der Linie Z-Z in Fig. 7(A),

Fig. 8 eine Draufsicht auf eine herkömmliche Posi­ tioniervorrichtung,

Fig. 9 eine Draufsicht auf eine andere herkömmliche Positioniervorrichtung und

Fig. 10 eine Draufsicht auf noch eine andere herkömm­ liche Positioniervorrichtung.

Die Fig. 8 bis 10 sind eingangs bereits erläutert worden.

Gemäß den Fig. 1 und 2 ist bei der erfindungs­ gemäßen Positioniervorrichtung ein einstückig mit einem (Maschinen-)Tisch 1a ausgebildeter Kolben 1 in einem Zylinder 2 angeordnet. Der Tisch 1a liegt an einem Öff­ nungsteil 2a des Zylinders 2 nach außen hin frei. Dabei sind Druckeinstellteile 6 und 7 vorgesehen, die jeweils mit zwei im Zylinder 2 festgelegten, durch den Kolben 1 voneinander getrennten Druckkammern 3 bzw. 4 in Verbin­ dung stehen. Der Kolben 1, der zur Verringerung seines Gewichts hohl ausgeführt ist, ist an den beiden Endab­ schnitten der den Tisch 1a aufweisenden Fläche mit (je) einer Gasnut oder -rille 1b für Abschirmung und hydro­ statische Lagerung zwischen dem Öffnungsteil 2a und den jeweiligen Druckkammern 3 und 4 versehen.

Ferner ist ein Gasspeise(rohr)stutzen 10 zum Zuspeisen eines Gases eines Drucks P₀ in dem der Sei­ tenfläche des Kolbens 1 entsprechenden Bereich des Zylinders 2 vorgesehen. An der anderen Seitenfläche des Kolbens 1 ist eine Linearskala 8 vorgesehen, während an der betreffenden Innenwand des Zylinders ein Detek­ tions- bzw. Meßkopf 9 angeordnet ist; dadurch wird ein Stellungsgeber (position encoder) zum Erfassen der Stellung des Kolbens 1 gebildet.

Die Druckeinstellteile 6 und 7 umfassen mit den Druckkammern 3 bzw. 4 kommunizierende Düsen (oder Durchgänge) 6a bzw. 7a, Druckeinstellscheiben 6b bzw. 7b als an den Ausblasseiten der Düsen 6a bzw. 7a ange­ ordnete Druckeinstell- oder -regelkörper sowie piezo­ elektrische Betätigungs- oder Stellglieder 6c bzw. 7c zum Ändern der Abstände d₁ bzw. d₂ zwischen den Düsen 6a, 7a und den Druckeinstellscheiben 6b, 7b durch Verschieben der letzteren. Weiter vorgesehen sind Druckspeise(rohr)stutzen 6d und 7d zum Zuspeisen eines Gases eines Drucks P₁ zum Umfang um die Düsen 6a bzw. 7a herum sowie Austrittsöffnungen oder -bohrungen 6e und 7e für einen Austritt des zugespeisten Gases.

In den Druckeinstellteilen 6 und 7 tritt das Gas aus den Druckkammern 3 bzw. 4 über die Düsen 6a bzw. 7a aus, wobei es sich mit dem Gas von den Druckspeisestut­ zen 6d bzw. 7d vermischt und aus den Austrittsbohrun­ gen 6e bzw. 7e austritt oder ausströmt, während es dem durch die Druckeinstellscheiben 6b bzw. 7b erzeugten Widerstand unterworfen ist. Die piezoelektrischen Stellglieder 6c und 7c besitzen jeweils einen Schicht­ aufbau aus einer Vielzahl von piezoelektrischen Elemen­ ten, und sie können durch Anlegen einer Spannung flexi­ bel und in kleinsten Schritten in der Schichtungsrich­ tung (Pfeilrichtung) angesteuert werden.

Wenn dabei die piezoelektrischen Stellglieder 6c und 7c zur Verkleinerung der Abstände d₁ und d₂ zwi­ schen den Düsen 6a, 7a und den Druckeinstellschei­ ben 6b, 7b zum Ausdehnen gebracht werden, wird der Öff­ nungsgrad der Düsen 6a bzw. 7a klein, so daß sich der Widerstand gegen ein Gasausblasen erhöht; infolgedessen kann der Druck in den Druckkammern 3 bzw. 4 hoch sein. Wenn dagegen die piezoelektrischen Stellglieder 6c und 7c zur Vergrößerung der Abstände d₁ und d₂ zum Zusam­ menziehen gebracht werden, wird der Öffnungsgrad der Düsen 6a bzw. 7a unter Verringerung des Widerstands gegen ein Gasausblasen groß; damit kann der in den Druckkammern 3 bzw. 4 herrschende Druck verringert wer­ den. Dies bedeutet, daß durch Regelung der an die pie­ zoelektrischen Stellglieder 6c, 7c angelegten Spannung und flexible Ansteuerung derselben der in den Druckkam­ mern 3 bzw. 4 herrschende Druck eingestellt bzw. gere­ gelt werden kann. Zur Verbesserung der Linearität der piezoelektrischen Stellglieder 6c, 7c kann ferner in nicht dargestellter Weise ein Vordruck in der Zusammen­ ziehrichtung an die piezoelektrischen Stellglieder 6c, 7c mittels einer Feder o. dgl. angelegt werden.

Im folgenden ist die Wirkungsweise der erfindungs­ gemäßen Positioniervorrichtung beschrieben.

Zunächst wird über den Gasspeisestutzen 10 ein Gas in den Zwischenraum 5 zwischen dem Kolben 1 und dem Zylinder 2 eingeblasen, um den Kolben 1 und den (mit dem) Tisch 1a im Zylinder 2 hydrostatisch zu lagern. Durch das in die beiden Druckkammern 3, 4 einströmende Gas wird der in ihnen herrschende Druck erhöht; dieser Druck wird dabei aber durch die Druckeinstellteile 6, 7 auf eine konstante Größe geregelt. Wenn durch Regelung der Spannungsbeaufschlagung der piezoelektrischen Stellglieder 6c, 7c ein(e) Druckdifferenz bzw. Wirk­ druck zwischen den Druckkammern 3 und 4 erzeugt wird, erfahren der Kolben 1 und der Tisch 1a eine Verschie­ bung entsprechend dem Wirkdruck.

Dabei erfolgt gemäß Fig. 3 die Positionierung des Kolbens 1 in der Weise, daß das vom Meßkopf 9 des Stel­ lungsgebers generierte Signal durch einen Stellungszäh­ ler 11 als Absolutstellungsinformation benutzt und mit der im voraus eingegebenen Positionierinformation von einem Eingangsimpulszähler 13 verglichen wird, um die Spannungsanlegung von einer linearen Stromversorgung 14 an die piezoelektrischen Stellglieder 6c, 7c mittels eines Servoverstärkers 12 zu regeln. Wenn die Positio­ nierinformationen von Positionszähler 11 und Eingangs­ impulszähler 13 gleich groß sind oder der Unterschied dazwischen innerhalb eines bestimmten Bereichs liegt, werden die piezoelektrischen Stellglieder 6c, 7c zum Festhalten des Kolbens 1 mit gleich großen Spannungen beaufschlagt.

Wenn sich in diesem Zustand der Kolben 1 aus irgendeinem Grund in Richtung auf die Druckkammer 3 zu verschieben beginnt, wird vom Meßkopf 9 ein Signal geliefert, um die Differenz des Stellungszählers 11 negativ zu machen; die betreffenden piezoelektrischen Stellglieder 6c, 7c werden dabei zur Erhöhung des Drucks an der Seite der Druckkammer 3 angesteuert, d. h. sie werden in der Richtung betätigt, in welcher der Kolben zur Seite der Druckkammer 4 zurückgeführt wird. Wenn sich dagegen der Kolben 1 in Richtung auf die Druckkammer 4 zu verschieben beginnt, werden die jewei­ ligen piezoelektrischen Stellglieder 6c, 7c zur Erhö­ hung des Drucks an der Seite der Druckkammer 4 ange­ steuert und automatisch (servo)geführt, so daß sich der Kolben 1 stets in der Sollstellung befindet. Der Servo­ verstärker 12 ist zudem ein Verstärker mit einem Nach­ führansprechelement (Proportion P, Integration bzw. Integral I, Differential D) zum Erhöhen der Spannung um die Differenz des Stellungszählers 11, um die piezo­ elektrischen Stellglieder 6c, 7c im Spannungsbetäti­ gungsmodus (voltage-actuating form) anzusteuern.

Die beschriebene erfindungsgemäße Positioniervor­ richtung weist somit einen Zylinderservotyp-Mechanismus auf, so daß die Steifheit in der Axialrichtung in der Größenordnung von 10 kg/µm liegen kann. Da dabei ferner der Kolben 1 im Zylinder 2 hydrostatisch gelagert ist, sind der dynamische Widerstand und die dynamische Gegenwirkkraft ziemlich klein, und da kein Gleit- oder Biegeabschnitt vorhanden ist, tritt keine zeitabhängige Änderung auf, so daß über einen langen Zeitraum hinweg eine stabile (zuverlässige) wiederholte Positionierung möglich ist. Da weiterhin der Tisch 1a einstückig mit dem Kolben 1 verbunden ist, kann die erfindungsgemäße Positioniervorrichtung mit kleinen Abmessungen ausge­ führt sein.

Da ferner die Druckeinstellteile 6 und 7 aus Düsen 6a, 7a und Druckeinstellscheiben 6b, 7b gebildet sind, ist ihre Ausgestaltung im Vergleich zur Verwen­ dung eines Druckeinstellventils o. dgl. einfacher und kompakter. Da darüber hinaus die Gas-Austrittsmenge vergrößert sein kann, indem die Durchmesser der Düsen 6a, 7a groß gewählt werden, kann der Kolben 1 mit einer hohen Arbeitsgeschwindigkeit von 2 m/s und einer hohen Beschleunigung von 10 G arbeiten.

Bei Verwendung der erfindungsgemäßen Positionier­ vorrichtung für eine Werkzeugmaschine ist außerdem auf­ grund der hydrostatischen Lagerung die Stoßdämpfungs­ wirkung hoch, und die Positioniervorrichtung kann unter Messung der Lastkapazität arbeiten.

Im Hinblick auf hohe Steifheit, niedriges Gewicht, kleines Wärmeausdehnungsverhältnis und dgl. wird zudem als Werkstoff für die erfindungsgemäße Positioniervor­ richtung vorzugsweise ein Keramikmaterial, wie Alumi­ niumoxid, Zirkonoxid, Siliziumkarbid oder Silizium­ nitrid, gewählt.

In anderer Ausführungsform können die Druck­ einstellteile 6, 7 gemäß Fig. 4(A) so ausgebildet sein, daß die Druckeinstellscheibe 6b und das piezoelektri­ sche Stellglied 6c innerhalb der Düse 6 angeordnet sind, um den Abstand d₁ zwischen der Ausblasöffnung der Düse 6 und der Druckeinstellscheibe 6b einzustellen. Wahlweise kann gemäß Fig. 4(B) die an der Spitzen- bzw. Mündungsseite der Düse 6a angeordnete Druckeinstell­ scheibe 6b selbst durch ein piezoelektrisches Element geformt sein, das sich bei Anlegung einer Spannung (flexibel) durchbiegt; dabei kann der Abstand d₁ durch Anlegung der Spannung, um die Druckeinstellscheibe 6 sich durchbiegen zu lassen, eingestellt werden. Anstelle des piezoelektrischen Elements kann anderer­ seits auch eine Schwingspule oder eine mit elektro­ magnetischer Energie arbeitende Verschiebeeinrichtung, wie ein Linearmotor o. dgl., verwendet werden.

Darüber hinaus können die Druckeinstellschei­ ben 6b, 7b mit einer bestimmten Frequenz in Schwingung versetzt werden. Obgleich bei der dargestellten Ausfüh­ rungsform plattenförmige Druckeinstellscheiben 6b, 7b verwendet werden, sind sie nicht auf die Platten- bzw. Scheibenform beschränkt.

Weiterhin kann die Vorrichtung ohne die Druckspei­ sestutzen 6d und 7d betrieben werden, vielmehr kann durch (Direkt-)Zuspeisung des Drucks P₁ der in den Druckkammern 3 und 4 herrschende Druck vergrößert und damit die Ausblasgeschwindigkeit aus den Düsen 6a und 7a erhöht werden.

Wahlweise kann als jeweilige Druckeinstell­ scheibe 6 und 7 ein Drehservoventil verwendet werden. Dabei sind oder werden zwei zylindrische Körper mit Öffnungen in ihrer Seitenfläche miteinander kombiniert; das Öffnen und Schließen der Öffnungen erfolgt durch Drehen eines der zylindrischen Körper.

Im folgenden ist eine zweite Ausführungsform der Erfindung beschrieben, wobei den Teilen der vorher beschriebenen Ausführungsform entsprechende Teile mit den gleichen Bezugsziffern wie dort bezeichnet sind.

Bei der Positioniervorrichtung gemäß den Fig. 5 und 6 durchsetzt eine Achse 20 den den Tisch 21 enthal­ tenden Ausschnitt, um den Tisch 21 linear verschiebbar zu lagern. An den beiden Stirnflächen des Tisches 21 sind in der Axialrichtung flexible Dichtungsglieder 22, wie Metallbalgen o. dgl., zur Bildung von Druckkammern 3 und 4 vorgesehen; mit den jeweiligen Druckkammern 3 und 4 stehen Druckeinstellteile 6 bzw. 7 in Verbindung.

Im Tisch 21 ist ein Gasspeise(rohr)stutzen 10 angeordnet, über den Gas eines Drucks P₀ zum Zwischen­ raum 5 zwischen dem Tisch 21 und der Achse 20 zuge­ speist wird. An der Seitenfläche des Tisches 21 ist eine Linearskala 8 angeordnet, während an dem ihr gegenüberliegenden Abschnitt ein einen Stellungsgeber bildender Detektions- oder Meßkopf 9 angeordnet ist, so daß damit die Stellung des Tisches 21 erfaßt werden kann.

Wie bei der oben beschriebenen Ausführungsform, kann mittels der Druckeinstellteile 6 und 7 der in den Druckkammern 3 bzw. 4 herrschende Druck durch Einstel­ lung des Öffnungsgrads (von Düsen) mittels der piezo­ elektrischen Stellglieder 6c und 7c eingestellt bzw. geregelt werden.

Im Betrieb dieser Positioniervorrichtung wird zunächst ein Gas über den Gasspeisestutzen 10 in den Zwischenraum zwischen Tisch 21 und Achse 20 eingebla­ sen, um den Tisch 21 hydrostatisch auf der Achse 20 zu lagern. Das eingeblasene Gas strömt in die Druckkam­ mern 3 und 4 unter Erhöhung des Drucks darin, wobei der Druck durch die Druckeinstellteile 6 und 7 auf eine bestimmte Größe eingestellt wird. Wenn durch entspre­ chende Regelung der Spannungsanlegung an die beiden piezoelektrischen Stellglieder 6c und 7c eine Druck­ differenz bzw. ein Wirkdruck zwischen den beiden Druck­ kammern 3 und 4 erzeugt wird, verschiebt sich der Tisch 21 entsprechend dem Wirkdruck linear bzw. gerad­ linig.

Dabei erfahren die Dichtungsglieder 22 entspre­ chend der Verschiebung des Tisches 21 eine Ausdehnung oder Zusammenziehung in ihrer Axialrichtung; sie können daher aus flexiblen Metallbalgen o. dgl. bestehen.

Bei dieser Ausführungsform wird das über den Gas­ speisestutzen 10 eingeblasene Gas vollständig über die Austrittsöffnungen 6e und 7e abgeführt, ohne in anderen Bereichen auszutreten. Diese Ausführungsform ist daher für Anwendungszwecke, die einen hohen Reinheitsgrad erfordern, oder für Verwendung in einer von der Luft­ atmosphäre verschiedenen Umgebung, z. B. in einem Vakuum, in Wasser o. dgl., geeignet.

In anderer Ausgestaltung kann die Achse 20 als Kreisbogen geformt sein; der Tisch 21 kann dabei auf dieser Achse 20 über einen Kreisbogen verschoben wer­ den.

Nachstehend ist eine dritte Ausführungsform der Erfindung beschrieben.

Bei der in den Fig. 7(A) und 7(B) dargestellten Positioniervorrichtung ist ein im Innenraum des Zylin­ ders angeordneter Drehkörper 31 in seiner Dreh- oder Rotationsrichtung bewegbar. Beim Drehkörper 31 sind zwei ungefähr fächerförmige Antriebsteile 31b an der Seitenfläche einer zylindrischen Drehachse 31a (materialeinheitlich) angeformt. Der Innenraum des Zylinders 32 weist zwei der Drehachse 31a des Drehkör­ pers 31 gegenüberstehende vorspringende Teile 32a auf. Die Antriebsteile 31b des Drehkörpers 31 sind in (teil)zylindrischen Abschnitten 32b in der Drehrichtung bewegbar. Durch Einsetzen des Drehkörpers 31 in diesen Innenraum, Vorsehen eines sehr kleinen Zwischenraums zwischen der Drehachse 31a und den vorspringenden Tei­ len 32a und Halten oder Lagern des Außenumfangs der Antriebsteile 31b in den (teil)zylindrischen Abschnit­ ten 32b kann der Drehkörper 31 stabil bzw. sicher gela­ gert sein.

Die Zahl der Antriebsteile 31b des Drehkörpers 31 ist nicht auf zwei beschränkt, vielmehr können auch mehr als drei solche Teile angeformt sein.

Da die Kreiserstreckung der (teil)zylindrischen Abschnitte 32b des Innenraums größer ist als die der Antriebsteile 31b des Drehkörpers 31, sind zwischen beiden Abschnitten insgesamt vier Druckkammern 3a, 3b, 4a und 4b festgelegt. Druckeinstellteile 6 und 7 sind mit den Druckkammern 3a und 4a kommunizierend angeord­ net, während innerhalb des Drehkörpers 31 Verbindungs­ bohrungen 31c und 31c geformt sind, die eine Verbindung zwischen den Druckkammern 3a und 3b einerseits und den Druckkammern 4a und 4b andererseits herstellen. In der im zentralen Schnitt gehaltenen Darstellung von Fig. 7(B) ist nur eine Verbindungsbohrung 31c zwischen den Druckkammern 3a und 3b sichtbar; auf gleiche Weise ist jedoch eine Verbindungsbohrung 31c zwischen den Druckkammern 4a und 4b vorgesehen. Infolgedessen werden die Druckkammern 3a und 3b sowie die Druckkammern 4a und 4b mit jeweils gleichem Druck beaufschlagt, so daß letztlich zwei (verschiedene) Druckkammerarten geformt sind.

Die Druckeinstellteile 6, 7 entsprechen denen der vorher beschriebenen Ausführungsform. Der in den Druck­ kammern 3a und 4a herrschende Druck kann durch Span­ nungsbeaufschlagung der piezoelektrischen Stellglie­ der 6c bzw. 7c eingestellt werden.

Ferner ist im Zylinder ein Gasspeise(rohr)stut­ zen 10 zum Einblasen eines Gases in den Zwischenraum 5 zwischen dem Außenumfang des Antriebsteils 31b des Drehkörpers 31 und dem Innenumfang des zylindrischen Abschnitts 32b des Zylinders 32 vorgesehen. Außerdem weist der Drehkörper 31 eine Gasrille 31d zum Zuspeisen des eingeblasenen Gases zum gesamten Zwischenraum 5 an seiner Außenfläche sowie eine Verbindungsbohrung 31e zum Zuführen eines Gases zu dem dem Gasspeisestutzen 10 gegenüberliegenden Zwischenraum 5 auf.

Am einen Ende der Drehachse 31a des Drehkörpers 31 ist ferner ein Drehstellungsgeber 39 zum Feststellen der Drehstellung angeordnet, während ihr anderes Ende nach außen geführt ist und einen Tisch 31f bildet.

Im Betrieb dieser Positioniervorrichtung wird zunächst ein Gas in den Zwischenraum 5 zwischen dem Drehkörper 31 und dem Zylinder 32 über den Gasspeise­ stutzen 10 eingeblasen, um den Drehkörper 31 im Zylin­ der 32 hydrostatisch zu lagern. Das eingeblasene Gas strömt in die vier Druckkammern 3a, 3b, 4a, 4b ein unter Erhöhung des darin herrschenden Drucks; sein Druck wird mittels der Druckeinstellteile 6, 7 auf eine bestimmte Größe eingestellt bzw. geregelt. Wenn durch Regelung der an die beiden piezoelektrischen Stellglie­ der 6c und 7c angelegten Spannung eine Druckdifferenz bzw. ein Wirkdruck zwischen den beiden Arten von Druck­ kammern 3a, 3b einerseits und 4a, 4b andererseits erzeugt wird, dreht sich der Drehkörper 31 in der die­ sem Wirkdruck entsprechenden Drehrichtung.

Bei den Ausführungsformen gemäß den Fig. 5 bis 7 wird als Werkstoff für den Tisch 21, die Achse 20, den Drehkörper 31, den Zylinder 32 und dgl. vorzugsweise ein Keramikmaterial, wie Aluminiumoxid, Zirkonoxid, Siliziumkarbid oder Siliziumnitrid, verwendet.

Versuchsweise wurde die erfindungsgemäße Positio­ niervorrichtung gemäß den Fig. 1 und 2 angefertigt. Kolben 1 und Zylinder 2 wurden aus Aluminiumoxidkeramik (Al₂O₂: nicht weniger als 99 Gew.-%) hergestellt, die leicht ist und deren Form sich auch bei einem Tempera­ turanstieg kaum ändert. Der Kolben 1 wurde hohl ausge­ staltet, um sein Trägheitsmoment (möglichst) klein zu halten. Der Koben 1 besaß quadratische bzw. rechteckige Form von 32×80 mm; die Druckbeaufschlagungsfläche betrug etwa 25,6 cm², und seine Hublänge lag bei 52 mm.

Die Anordnung war so getroffen, daß der Innen­ durchmesser jeder Düse 6a und 7a in den Druckeinstell­ teilen 6 bzw. 7 jeweils 16 mm betrug; die Hublänge der piezoelektrischen Stellglieder 6c und 7c betrug jeweils 20 µm; die Abstände d₁ und d₂ zwischen den Düsen 6a, 7a und den Druckeinstellscheiben 6b, 7b lagen bei einer Dauer- oder Einschwingspannung im Bereich von 5-10 µm.

Bei Einstellung des Drucks P₀ am Gasspeisestut­ zen 10 auf 4 kgf/cm² und des Drucks P₁ an den Druck­ speisestutzen 6d und 7d der Druckeinstellteile 6 bzw. 7 auf 2 kgf/cm² war der Kolben 1 im Zylinder 2 hydrosta­ tisch (bzw. "schwebend") gelagert, und er konnte nach Maßgabe der dem Eingangsimpulszähler 13 eingespeisten Positionierinformationen frei verschoben werden.

Die Charakteristika der betreffenden Positionier­ vorrichtung sind in der nachstehenden Tabelle 1 angege­ ben. Die Antriebs- oder Ansteuergeschwindigkeit des Kolbens 1 konnte bis zu 200 mm/s bei einer Auflösung von 0,1 µm und bis zu 2 m/s bei einer Auflösung von 1 µm betragen.

Dabei wurde festgestellt, daß die Verschiebungs­ linearität des Kolbens 1 mit 0,4 µm/100 mm sehr klein und die Stampf-/Gierbewegung mit ± 4 s/100 nun ebenfalls klein war; die Wiederholungs-Positioniergenauigkeit (2 σ) lag mit 0,3 µm hoch, so daß eine Positionierung mit hoher Genauigkeit möglich war. Die Steifheit in der Axialrichtung war mit 52 kg/µm² ebenfalls hoch.

Tabelle 1

Ebenso wurden die Positioniervorrichtung gemäß den Fig. 5 und 6 versuchsweise angefertigt und ihre Eigen­ schaften bestimmt. Dabei wurde festgestellt, daß der Biegewiderstand des Dichtungsglieds 22 0,2 g/µm und die Antriebskraft 12 kgf betrugen; die beibehaltene (retained) Steifheit besaß einen ausreichend großen Wert von 7,5 kgf/µm, und die Positioniergenauigkeit (bzw. -abweichung) betrug weniger als ± 0,2 µm (± 2 σ). Sämtliche Gleit- oder Verschiebeeigenschaften (Stampfen, Gieren, Rollen) waren nicht größer als 0,5 arc sec/100 mm.

Ferner wurden die Positioniervorrichtung gemäß Fig. 7 versuchsweise angefertigt und ihre Eigenschaften bestimmt. Dabei wurde festgestellt, daß die Positio­ niergenauigkeit (bzw. -abweichung) nicht größer als ± 1 s (Winkel bzw. Bogensekunde) und die Positionier­ geschwindigkeit nicht größer als 0,01 s/60° waren.

Wie vorstehend beschrieben, wird somit mit der Erfindung eine Positioniervorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform bereitgestellt. Dabei können die (Posi­ tionier-)Kennlinie (personality) in der Axialrichtung hoch und dynamischer Widerstand sowie dynamische Gegenwirkkraft vergleichsweise klein sein. Da die Positioniervorrichtung keinen Gleit- oder Biege­ abschnitt enthält, tritt keine zeitabhängige Änderung (ihrer Eigenschaften) auf, so daß wiederholte Positio­ nierung über einen langen Zeitraum hinweg mit hoher Zuverlässigkeit möglich ist.

Da die Druckeinstellteile aus Düsen und Druckein­ stellscheiben bestehen, kann eine Positioniervorrich­ tung mit verschiedenen Eigenschaften bereitgestellt werden, die bei einfachem Aufbau kleine Abmessungen aufweisen und mit hoher Kolbengeschwindigkeit arbeiten kann.

Bei der zweiten Ausführungsform kann ein Gasaus­ tritt aus vom Speise(rohr)stutzen und von der Aus­ trittsöffnung verschiedenen Bereichen verhindert sein, so daß die Vorrichtung auch in einer von der Luftatmo­ sphäre verschiedenen Umgebung einsetzbar ist.

Gemäß der dritten Ausführungsform wird eine Posi­ tioniervorrichtung mit Dreh- oder Rotationspositionie­ rung bereitgestellt, bei welcher eine wiederholte Posi­ tionierung über einen langen Zeitraum hinweg mit hoher Zuverlässigkeit möglich ist.

Claims (3)

1. Positioniervorrichtung, bei der ein Kol­ ben (1) mit einem (angeformten) Tisch (1a) in einem Zylinder (2) angeordnet und geführt ist, bei der Druck­ einstellmittel (6, 7) an zwei durch den Kolben (1) von­ einander getrennten Druckkammern (3, 4) im Zylinder (2) vorgesehen sind, bei der ein Gas in einen Zwischen­ raum (5) zwischen dem Kolben (1) und dem Zylinder (2) eingeblasen wird, um den Kolben (1) hydrostatisch zu lagern, und bei der dieses eingeblasene Gas in die bei­ den Druckkammern (3, 4) eingeleitet wird, um den Kol­ ben (1) und den Tisch (1a) durch die Druckdifferenz oder den Wirkdruck zwischen den beiden Druckkammern (3, 4) anzutreiben oder zu verschieben,
wobei die an den beiden Druckkammern (3, 4) vorge­ sehenen Druckeinstellmittel (6, 7) Düsen (6a, 7a) zum Einlassen (emitting) von Gas in die Druckkammern (3, 4) sowie Druckeinstellkörper (6b, 7b) zum Ändern des Öff­ nungsgrads der Ausblasöffnung jeder Düse (6a, 7a) um­ fassen.

2. Positioniervorrichtung, bei der ein Tisch auf einer Achse (20) in der Axialrichtung verschiebbar ge­ führt ist, die Druckeinstellmittel an zwei Druckkammern aufweist, bei der in der Linearrichtung flexible Dich­ tungsglieder (22) an den Stirnflächen des Tisches vor­ gesehen sind und bei der ein Gas in einen Zwischenraum zwischen dem Tisch und der Achse eingeblasen wird, um den Tisch hydrostatisch zu lagern und das Gas zum Antreiben oder Verschieben des Tisches durch die (den) zwischen den beiden Druckkammern erzeugte(n) Druck­ differenz oder Wirkdruck in die beiden Druckkammern einzuleiten,
wobei die an den beiden Druckkammern (3, 4) vorge­ sehenen Druckeinstellmittel (6, 7) Düsen (6a, 7a) zum Einlassen (emitting) von Gas in die Druckkammern (3, 4) sowie Druckeinstellkörper (6b, 7b) zum Ändern des Öff­ nungsgrads der Ausblasöffnung jeder Düse (6a, 7a) um­ fassen.

3. Positioniervorrichtung, bei der ein Drehkör­ per mit einem rotierenden, zylindrischen Achsabschnitt und einem angeformten, ungefähr fächerförmigen An­ triebsteil drehbar im Innenraum eines Zylinders aufge­ nommen ist, bei der Druckeinstellmittel an zwei zwi­ schen dem Antriebsteil des Drehkörpers und dem Innen­ raum des Zylinders geformten Arten (verschiedenen) Druckkammern vorgesehen sind und bei der ein Gas in einen Zwischenraum zwischen dem Drehkörper und dem Zylinder eingeblasen wird, um den Drehkörper hydrosta­ tisch zu lagern und das eingeblasene Gas in die beiden Arten von Druckkammern einzuführen und damit den Dreh­ körper durch die (den) Druckdifferenz oder Wirkdruck zwischen den beiden Druckkammern in der Drehrichtung anzutreiben,
wobei die an den beiden Arten von Druckkammern vorgesehenen Druckeinstellmittel Düsen zum Einlassen (emitting) von Gas in die Druckkammern sowie Druckein­ stellkörper zum Ändern des Öffnungsgrads der Ausblas­ öffnung jeder Düse umfassen.