DE19603446A1 - Positioniervorrichtung - Google Patents
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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.
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.
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.
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.
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.
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