DE19639606C1 - Gripper system for handling and fine positioning - Google Patents

Abstract

The gripper system has a linear guide (1) for guiding the movement of a pair of displacement elements (9,10), each having a pair of carriages (9a,9b ; 10a,10b) and a piezoelectric setting element positioned between them, for action parallel to the linear guide, for indexing the movement of the displacement elements. Each carriage has a further piezoelectric setting element perpendicular to the linear guide, associated with gripper plates (13) mounted in the opposing carriages (9b,10a) of the displacement elements.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Greifersystem zum Handhaben und Feinpositionieren von Gegenständen, das nach dem grundsätzlichen Wirkprinzip eines piezoelektrischen Linearmotors gemäß der DE 38 25 587 A1 arbeitet.The invention relates to a gripper system for Handling and fine positioning of objects, the according to the basic principle of action of a piezoelectric linear motor according to DE 38 25 587 A1 works.

Es sind Feinpositioniervorrichtungen bekannt, die Positioniergenauigkeiten im Mikrometerbereich aufweisen und vor allem bei der Bearbeitung und Montage von feinmechanischen Bauteilen, in der Mikrostruktur-System­ technik und bei Untersuchungen von z. B. molekularbiologischen Vorgängen Verwendung finden.Fine positioning devices are known which Have positioning accuracies in the micrometer range and especially when machining and assembling  precision mechanical components, in the microstructure system technology and studies of z. B. molecular biological processes are used.

Derartige Postioniersysteme werden beispielsweise zur Positionierung eines Arbeitstisches, der mit kleinsten Bauteilen oder Versuchskörpern bestückt ist, relativ zu einem Mikroskop oder zu einem Mikromontageroboter ver­ wendet werden. Auch sind derartige Positioniersysteme dazu geeignet, Bearbeitungs-oder Montagewerkzeuge auf­ zunehmen, um diese Werkstücke zu bearbeiten und zu fügen.Postioning systems of this type are used, for example, for Positioning a work table with the smallest Components or test specimens is assembled, relative to a microscope or a micro assembly robot be applied. Such positioning systems are also suitable for machining or assembly tools increase to machine these workpieces and to put.

Positioniersysteme der vorstehend genannten Art sind beispielsweise aus der deutschen Patentschrift DE 44 10 248 C1 zu entnehmen. Aus dieser Druckschrift geht eine piezoelektrische Antriebsvorrichtung hervor, die einen äußeren, relativ zu einer Achse feststehenden Rahmen aufweist, innerhalb dem zwei mit der Achse in Eingriff bringbare piezoelektrische Klemmvorrichtungen vorgesehen sind, die über Festkörper-Gelenkverbindungen mit dem äußeren Rahmen verbunden sind. Zusätzlich ist ein parallel zur Achse wirkender Piezoaktuator vorge­ sehen, der einen inneren Rahmen, an dem die vorstehend beschriebenen piezoelektrischen Klemmvorrichtungen angebracht sind, achsparallel verschoben werden kann. Die mit der in dieser Druckschrift beschriebene An­ ordnung von Piezostellelementen ermöglicht eine hochge­ naue Positionierung innerhalb eines, durch den äußeren Rahmen vorgegebenen Bereiches. Sind hingegen Positionierwege erforderlich, die über die Rahmendimension hinausgehen, so ist die bekannte Vor­ richtung für derartige Anwendungen nicht geeignet. Positioning systems of the type mentioned above are for example from the German patent DE 44 10 248 C1. From this publication goes a piezoelectric drive device that an outer, fixed relative to an axis Frame within which two with the axis in Interlockable piezoelectric clamps are provided, the solid-body articulations are connected to the outer frame. In addition is a piezo actuator acting parallel to the axis is provided see the an inner frame on which the above described piezoelectric clamping devices are attached, can be moved axially parallel. The with the described in this document order of piezo actuators allows a high exact positioning within one, through the outer Within the specified range. Are against Positioning paths required, which are beyond the Go beyond the frame dimension, so is the well-known Vor direction not suitable for such applications.  

Aus der DE 43 15 238 A1 ist eine Verstelleinrichtung mit Piezoantrieb zu entnehmen, die zwei Piezotranslatoren aufweist, die mit einem Abtriebselement unter Federkraftbeaufschlagung in Wirkverbindung treten. Mit Hilfe der Piezotranslatoren erfolgt eine Bewegungsübertragung von der Verstelleinrichtung, die fest angeordnet ist, auf das linearbewegliche Abtriebselement. Für den Betrieb einer derartigen, fest angeordneten Verstelleinrichtung, die ein Feinpositionieren des Abtriebselementes ermöglichen soll, sind jedoch Vorkehrungen zu treffen, die eine freie Beweglichkeit des Abtriebselementes garantieren. Insofern sind nicht nur hohe mechanische Anforderungen an die körperliche Ausbildung der Verstelleinrichtung selbst zu stellen, sondern überdies sind Maßnahmen zu treffen, die eine freie Zuführung des Abtriebsbandes sicherstellen.An adjusting device is known from DE 43 15 238 A1 with piezo drive, the two Piezotranslators having a Output element under spring force in Connect actively. With the help of the piezotranslators there is a transmission of motion from the Adjustment device, which is fixed, on the linearly movable output element. For operating one such, fixedly arranged adjustment device, the enable fine positioning of the output element However, precautions should be taken that a guarantee free movement of the output element. In this respect, there are not only high mechanical requirements to the physical training of the adjustment device to provide yourself, but moreover measures are too meet that a free feed of the driven belt to ensure.

Ferner ist in der DE 44 08 618 A1 ein Verstellantrieb aus Bimorph-Elementen beschrieben, die jeweils aus nebeneinander angeordneten Piezoschwingern bestehen. Die als Aktoren ausgebildete Piezoschwinger erstrecken sich in etwa senkrecht zur gewünschten Bewegungsrichtung und treten mit einem Abtriebselement in Wirkverbindung. Je nach angelegter Steuerspannung werden die Aktoren nicht nur in ihrer Längsrichtung, sondern auch in ihrer Querrichtung verformt, wodurch eine Fortbewegung der gesamten Verstelleinrichtung relativ zum Abtriebselement möglich ist. Diese bekannte Vorrichtung weist jedoch den Nachteil auf, daß die Wechselwirkung des Verstellantriebes mit dem Antriebselement lediglich über kleine Stirn- bzw. Seitenflächen der Piezoaktoren erfolgt, so daß zum einen mit einer erheblichen Abnutzung dieser Elemente zu rechnen ist, und zum anderen, eine hochstabile Verklemmung des Verstellantriebes relativ zum Antriebselement nicht möglich ist, die jedoch insbesondere zum Feinpositionieren von massiveren Bauelementen notwendig ist. Beispielsweise sind Greiferfunktionen mit Hilfe des vorstehend beschriebenen Verstellantriebes bereits aus Gründen der nur geringen Haltekraft nicht realisierbar.Furthermore, an adjustment drive is in DE 44 08 618 A1 described from bimorph elements, each consisting of Piezo oscillators arranged side by side exist. The piezo oscillators designed as actuators extend approximately perpendicular to the desired one Direction of movement and kick with an output element in operative connection. Depending on the control voltage applied the actuators are not only in their longitudinal direction, but also deformed in its transverse direction, whereby a movement of the entire adjustment device relative to the output element is possible. This well-known However, the device has the disadvantage that the Interaction of the adjustment drive with the Drive element only via small forehead or Side surfaces of the piezo actuators, so that for one with significant wear and tear of these elements  is to be expected, and secondly, a highly stable one Jamming of the adjustment drive relative to Drive element is not possible, however especially for fine positioning of massive ones Components is necessary. For example Gripper functions using the above described actuator already for the sake of only a small holding force cannot be achieved.

In der DE 38 25 587 A1 ist ein piezoelektrischer Linearmotor beschrieben, der die vorstehend genannten Nachteile nicht aufweist. Der Linearmotor setzt sich aus zwei piezoelektrischen Klemmelementen zusammen, die radial gegen eine Schiene fixierbar sind. Beide Klemmelemente sind über einen parallel zur Schiene angeordneten Vorschubaktuator miteinander verbunden. Je nach Ansteuerung der piezoelektrischen Elemente mit elektrischen Steuerspannungen vermag sich der Linearmotor in Art eines Raupenganges an der Schiene entlang fortzubewegen.DE 38 25 587 A1 describes a piezoelectric Linear motor described the above Does not have disadvantages. The linear motor settles composed of two piezoelectric clamping elements, the are radially fixable against a rail. Both Clamping elements are parallel to the rail arranged feed actuator connected to each other. Each after driving the piezoelectric elements with electrical control voltages Linear motor in the manner of a caterpillar track on the rail to move along.

In der DE 43 10 757 A1 ist ein Greifersystem zum Handhaben und Positionieren von Gegenständen mit einer Linearführung dargestellt, auf der zwei Bewegungs­ elemente geführt sind, die Greiferbacken aufweisen und durch Relativbewegung eine Greiferfunktion ausüben. Die Bewegungselemente werden über Kolben-Zylindereinheiten anbetrieben, die jedoch nicht genügend miniaturisierbar und zudem mit konstruktivem Aufwand verbunden sind.DE 43 10 757 A1 describes a gripper system for Handle and position objects with one Linear guide shown on the two movement elements are guided, which have gripper jaws and perform a gripper function by relative movement. The Movement elements are made via piston-cylinder units operated, but not miniaturized enough and are also associated with design effort.

Zwar gehen aus der DE 38 25 587 A1 sowie der DE 39 32 449 C2, als auch aus dem Beitrag von L. Kiesewetter, "Piezoelektrizität und Magnetostriktion in Translationsmotoren", Techn. Rundschau 22/88, S. 104-109, piezoelektrische Antriebsmechanismen hervor, doch sind in diesen Druckschriften keine Hinweise auf den Einsatz mit Greiferbacken zu entnehmen.DE 38 25 587 A1 and DE 39 32 do indeed 449 C2, as well as from the contribution by L. Kiesewetter, "Piezoelectricity and magnetostriction in Translational Motors ", Techn. Rundschau 22/88, pp. 104-109,  piezoelectric drive mechanisms emerge, yes are no references to the in these publications Removable insert with gripper jaws.

Schließlich geht aus der US 52 22 778 A ein piezoelektrisches Antriebselement zum Feineinstellen einer Greifkraft hervor, doch bildet hier der Scherenmechanismus die Grundlage des Greifersystems, wodurch die Greiferweite stark eingeschränkt istFinally, US 52 22 778 A. piezoelectric drive element for fine adjustment a gripping force, but here forms the Scissors mechanism the basis of the gripper system, which severely limits the gripper width

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Greifersystem zum Handhaben und Feinpositionieren von Gegenständen derart auszubilden, daß das Greifersystem zum einen über beliebig große Verstellwege bewegbar ist und dennoch eine Feinpositionierung im Mikrometerbereich und darunter gestattet und zum ande­ ren die Aufnahme weitgehend beliebig großer Gegenstände gestattet. Das Greifersystem soll überdies einen Positioniervorgang in möglichst kurzer Zeit vollenden, so daß die Verfahr-und Positioniergeschwindigkeiten des Systems möglichst hoch sind. Neben der Handhabung und Positionierung von Kleinteilen, wie sie beispielsweise aus der Feinmechanik her bekannt sind, soll das Greifersystem genügend steif ausgebildet sein, so daß eine sichere und zuverlässige Handhabung auch von schwereren Werkstückteilen möglich ist. Das Greifersystem soll überdies in möglichst einfacher Weise ausgebildet sein, so daß die Herstellungskosten gering gehalten werden können. Schließlich soll eine Verfahrensweise angegeben werden, mit der es möglich ist, eine Feinpositionierung mit Hilfe des Greifersystems in möglichst kurzer Zeit zu ermöglichen.The invention is based on the object Gripper system for handling and fine positioning of objects in such a way that the Gripper system, on the one hand, via any adjustment paths is movable and still a fine positioning in the Micrometer range and below allowed and the other ren the inclusion of largely any large objects allowed. The gripper system should also one Complete the positioning process in the shortest possible time, so that the travel and positioning speeds of the Systems are as high as possible. In addition to handling and Positioning of small parts, such as those are known from precision engineering Gripper system must be sufficiently rigid, so that safe and reliable handling of heavier workpiece parts is possible. The The gripper system should also be as simple as possible Be trained so that the manufacturing cost can be kept low. After all, one should Procedure to be specified with which it is possible is a fine positioning with the help of the gripper system in the shortest possible time.

Die Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe ist im Patentanspruch 1 angegeben, der ein erfindungsgemäßes Positioniersystem zum Inhalt hat. Anspruch 10 beschreibt ein erfindungsgemäßes Verfahren unter Verwendung des erfindungsgemäßen Greifersystems. Die Erfindungsgedanken vorteilhaft weiterbildenden Merkmale sind Gegenstand der Unteransprüche.The solution to the problem on which the invention is based  is specified in claim 1, which is a has positioning system according to the invention to the content. Claim 10 describes a method according to the invention using the invention Gripper system. The inventive idea advantageous further education features are the subject of Subclaims.

Die Erfindung geht grundsätzlich von einem Positoniersystem zum Feinpositionieren insbesondere von Werkzeugvorrichtungen und Werkstücken entlang einer Linearführung, wie sie in der DE 38 25 587 A1 beschrieben ist, aus.The invention is based on one Positioning system for fine positioning especially of Tool fixtures and work pieces along one Linear guide, as in DE 38 25 587 A1 is described from.

Das erfindungsgemäße Greifersystem zum Handhaben und Feinpositionieren von Gegenständen, weist eine Linearführung auf, auf der zwei Bewegungselemente ge­ führt sind, wobei jedes Bewegungselement zwei Schlitten und ein zwischen diesen und parallel zur Linearführung wirkendes Piezostellelement aufweist. Dabei sieht jeder Schlitten ein weitgehend senkrecht zur Linearführung gerichtetes Piezostellelement vor, mit Greiferbacken, die an den sich gegenüber­ stehenden Schlitten der Bewegungselemente angeordnet sind. Die Piezostellelemente sind mit elektrischen Steuerströmen derart beaufschlagbar, daß die bei­ den Schlitten eines jeden Bewegungselements im Gegen­ takt an der Linearführung fixierbar sind und durch Längenänderung der parallel zur Linearführung wirkenden Piezostellelemente eine schrittweise Fortbewegung der Bewegungselemente entlang der Linearführung bewirkt wird.The gripper system according to the invention for handling and Fine positioning of objects has one Linear guide on, on the two movement elements ge leads, with each moving element two Carriage and one between these and parallel to Has linear guide acting piezo actuator. Each sled looks largely vertical piezo actuator facing linear guide, with gripper jaws that face each other standing carriage of the moving elements arranged are. The piezo actuators are with electrical Control currents acted on so that the at the carriage of each movement element in the opposite are fixed to the linear guide and by Change in length parallel to the linear guide acting piezo actuators a step by step Locomotion of the movement elements along the Linear guide is effected.

Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, daß durch die Kombination zweier Bewegungselemente, von denen jeweils ein Bewegungselement mit einer Greiferbacke versehen ist, alle Vorteile der Einzel-Posi­ tioniersysteme genutzt werden können und er­ findungsgemäß das Greifen von nahezu beliebig großen Gegenständen, aufgrund der nur durch die Länge der Linearführung begrenzten Greiferbackenweite, möglich ist.The invention is based on the idea that  by combining two movement elements, from which each have a movement element with a Gripper jaw is provided, all advantages of the single posi tioning systems can be used and he according to the gripping of almost any size Objects, due to the only by the length of the Linear guide with limited gripper jaw width possible is.

Die Ansteuerung des Greifersystems mit den für die Piezostellelemente erforderlichen elektrischen Steuerströme erfolgt derart, daß beide Bewegungselemente in Art eines Raupenganges zum Erfassen eines handzuhabenden Gegenstandes aufeinander zu bewegt werden, bis der Gegenstand beidseitig von den Greiferbacken erfaßt ist. An den Greiferbacken ange­ brachte Drucksensoren, die beispielsweise als De­ hnungsmeßstreifen ausgebildet sein können, erfassen die Haltekraft mit der der Gegenstand mit den Greiferbacken gehalten bzw., getragen wird. Eine Steuer- und Regelei­ nrichtung sorgt dafür, daß die Haltekraft nicht über eine Maximalkraft hinausgeht, um etwaige Beschädigungen am handzuhabenden Gegenstand zu vermeiden.The control of the gripper system with the for the Piezo actuators required electrical Control currents occur in such a way that both movement elements in Kind of a caterpillar track to capture a object to be moved towards each other until the object is on both sides of the Gripper jaws is detected. On the gripper jaws brought pressure sensors, for example as De strain gauges can be formed, capture the Holding force with which the object with the gripper jaws is held or carried. A tax and regulation egg direction ensures that the holding force is not exceeded a maximum force goes beyond any damage to avoid the object to be handled.

Ist der Gegenstand mittels der Greiferbacken erfaßt, so sind die Bewegungselemente für eine Feinpositionierung möglichst im Gleichtakt zu be­ treiben, d. h. es erfolgt eine Regelung der elektrischen Steuerströme für die Piezostellelemente zum Inbe­ triebsetzen der beiden Bewegungselemente derart, daß die raupenartige Bewegung von beiden Schlittenpaaren in gleicher Richtung und gleicher Ge­ schwindigkeit erfolgt. If the object is gripped by the gripper jaws, so are the movement elements for one Fine positioning to be in synch, if possible drive, d. H. the electrical is regulated Control currents for the piezo actuators for the Inbe driving the two movement elements in such a way that the caterpillar-like movement of both Sledge pairs in the same direction and same ge speed occurs.  

Nachfolgend wird der Aufbau eines Bewegungs­ elements beschrieben:
Die auf der Linearführung beweglich angeordneten Bewegungselemente, die als Schlitten ausgebildet sind, greifen wenigstens teilweise mit der Linearführung derart in Eingriff, so daß sie jeweils getrennt voneinander durch Beaufschlagung der Steuerspannung an dem jeweiligen Piezostellelement mit der Linearführung verklemmt werden können.The structure of a movement element is described below:
The movement elements movably arranged on the linear guide, which are designed as slides, engage at least partially with the linear guide in such a way that they can be clamped separately from one another by applying the control voltage to the respective piezo actuator with the linear guide.

Das Verklemmen jedes einzelnen Schlittens erfolgt mit Hilfe des auf diesem angeordneten Piezostellelement, das nach Beaufschlagen einer Steuerspannung eine Längenausdehnung erfährt, so daß der Schlitten aufgrund der Längenausdehnung des Piezostellelementes durch Klemmwirkung an die Linearführung fixiert werden kann. Beide Schlitten treten über ein weitgehend parallel zur Linearführung angeordnetes Piezostellelement in Wirkverbindung, das beidseitig mit den Schlitten über Befestigungselemente verbunden ist.The jamming of every single sled takes place with the help of the arranged on this Piezo actuator, which is applied to a Control voltage experiences a linear expansion, so that the slide due to the linear expansion of the Piezo actuator by clamping action on the Linear guide can be fixed. Both Sled over a largely parallel piezo actuator arranged for linear guidance in Active connection, on both sides with the sled is connected via fasteners.

Zwischen dem weitgehend parallel zur Linearführung angeordneten Piezostellelement und dem Be­ festigungselement eines Schlittens ist vorzug­ sweise ein Kraftmesser vorgesehen, der die zwischen den beiden in Wirkverbindung stehenden Schlitten wirkende Kraft erfaßt. Der als Kraftmesser ausgebildete Sensor ist mit einer Steuer- und Regeleinrichtung verbunden, die die Ansteuerung der elektrischen Steuerströme für die Piezostellelemente vornimmt. Auf diesen Weise ist es möglich die Bewegung eines Bewegungselements druckkraftgesteuert vorzunehmen. Insbesondere in Hin­ blick auf das erfindungsgemäße Greifersystem kann unter Verwendung dieser Kraftwerte die Haltekraft ermittelt werden, mit der ein handzuhabender Gegenstand zwischen den Greiferbacken gehalten wird.Between the largely parallel to the linear guide arranged piezo actuator and the Be fastening element of a sled is preferred In some cases, a dynamometer is provided, which measures the between the force acting in two operatively connected slides detected. The sensor designed as a dynamometer is connected to a control device that the control of the electrical control currents for the Piezo actuators. That way it is possible the movement of a movement element pressure controlled. Especially in Hin  view of the gripper system according to the invention can under The holding force is determined using these force values with which a manageable object between the gripper jaws is held.

Zusätzlich zum Kraftsensor, sind die Schlitten mit einem Wegmeßsensor ausgestattet, der den Verfahrweg relativ zur Linearführung erfaßt. Hierzu ist die Linearführung vorzugsweise mit einem optisch lesbaren Maßstab versehen, der von einem Sensor abgelesen werden kann. Selbstverständlich sind auch Sensorsysteme zur Wegerfassung verwendbar, die auf induktiven, kapazitiven oder mechanischen Wirkprinzipien basieren.In addition to the force sensor, the sledges are equipped with a displacement sensor that measures the travel detected relative to the linear guide. For this is the Linear guide preferably with an optically readable Provide a scale that can be read by a sensor can. Of course, sensor systems are also available Position detection can be used, based on inductive, capacitive or mechanical principles of action.

Das erfindungsgemäße Greifersystem zeichnet sich ferner durch einen modularen Aufbau aus, so daß je nach Anwendung mehrere miteinander in Wirkverbindung bringbare Bewegungselemente auf einer Linearführung vorgesehen werden können, wodurch die unter­ schiedlichsten Greifaufgaben gelöst werden können.The gripper system according to the invention is also distinguished by a modular structure, so that depending on the application, several in operative connection Movable elements that can be brought on a linear guide can be provided, whereby the under various gripping tasks can be solved.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen exemplarisch beschrieben. Es zeigen:The invention is described below with reference to Embodiments with reference to the Exemplary drawings described. Show it:

Fig. 1 schematisierte Darstellung eines Aus­ führungsbeipiels für ein erfindungsgemäßes Greifersystems, Fig. 1 shows a schematic representation of a guide from beipiels for an inventive gripper system,

Fig. 2a,b schematisierte Seiten- und Draufsicht­ darstellung eines Ausführungsbeispiels für ein erfindungsgemäßes Positioniersystem sowie FIG. 2a, b schematic side and top view representation of an embodiment of an inventive positioning system and

Fig. 3 Diagrammdarstellung für den Verlauf der elektrischen Steuerspannung für die elektrische Ansteuerung der Piezostellelemente. Fig. 3 diagram for the course of the electrical control voltage for the electrical control of the piezo actuator.

In Fig. 1 ist auf einer Linearführung 1 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Greifersystems dargestellt, das zwei Bewegungselemente 9 und 10 aufweist, die wiederum aus einzelnen, in Wirkverbindung stehenden Schlitten 9a, 9b sowie 10a, 10b bestehen. Die einzelnen Schlitten 9a, 9b sowie 10a, 10b sind derart auf der Linearführung 1 angeordnet, so daß sie wenigstens teilweise in die Linearführung eingreifen. Der Funktionsmechanismus der einzelnen Bewegungselemente wird nachstehend unter Bezugnahme auf die Fig. 2 beschrieben.In Fig. 1, an embodiment of a gripper system according to the invention is shown on a linear guide 1 , which has two movement elements 9 and 10 , which in turn consist of individual, operatively connected slides 9 a, 9 b and 10 a, 10 b. The individual carriages 9 a, 9 b and 10 a, 10 b are arranged on the linear guide 1 such that they at least partially engage in the linear guide. The functional mechanism of the individual movement elements is described below with reference to FIG. 2.

Erfindungsgemäß weisen beide getrennte Bewegungs­ elemente 9 und 10 an einem ihrer Schlitten 9b und 10a Greiferbacken 13 auf, so daß durch ent­ sprechende Relativbewegung der Bewegungselemente 9 und 10 die Greiferbacken 13 aufeinander zu bzw. voneinander weg bewegbar sind.According to the invention both the separate motion elements 9 and 10 at one of its carriage 9 b and 10 a gripper jaws 13, so that successive through ent speaking relative movement of the moving elements 9 and 10, the gripper claws 13 are respectively away from one another.

Um die Haltekraft zwischen den Greiferbacken 13 am Werkstück 11 zu erfassen, sind Drucksensoren 12 vorgesehen, die im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 im werkstückbereich der Greiferbacken angeordnet sind.In order to detect the holding force between the gripper jaws 13 on the workpiece 11 , pressure sensors 12 are provided, which in the exemplary embodiment according to FIG. 1 are arranged in the workpiece area of the gripper jaws.

Durch die unabhängige Bewegungsführung der Bewegungselemente 9 und 10 entlang der Linearführung ist es möglich, den Greiferbackenabstand d beliebig groß zu wählen. Hierdurch ist es möglich, Gegenstände von beliebiger Größe zu ergreifen. The independent movement of the movement elements 9 and 10 along the linear guide makes it possible to choose the gripper jaw spacing d as large as desired. This makes it possible to grasp objects of any size.

Je nach Ansteuerung der einzelnen, für die Fortbewegung der Schlitten 9a, 9b sowie 10a, 10b verantwortlichen Piezostellelemente ist ein synchrones Verfahren beider Bewegungselemente 9 und 10 möglich, so daß eine hochgenaue Positionierung des erfaßten Werkstückes 11 mittels der Greiferbacken 13 möglich ist.Depending on the control of the individual piezo actuating elements responsible for the movement of the slides 9 a, 9 b and 10 a, 10 b, a synchronous movement of both movement elements 9 and 10 is possible, so that a highly precise positioning of the detected workpiece 11 by means of the gripper jaws 13 is possible .

In Fig. 2a ist ein Bewegungselement dargestellt. Auf einer Linearführung 1 sind zwei Schlitten 2a und 2b horizontal auf der Linearführung 1 beweglich gelagert angeordnet. In den Schlitten 2a und 2b sind jeweils Piezostellelemente 3a und 3b senkrecht zur Linearführung 1 angeordnet. Die Piezostellelemente 3a bzw. 3b sind mit einer nicht in der Figur dargestell­ ten elektrischen Spannungszuführung versehen, über die eine elektrische Steuerspannung angelegt werden kann, so daß bei Anlegen einer elektrischen Ste­ uerspannung die Piezostellelemente 3a und 3b eine Längenausdehnung erfahren, so daß dadurch die Schlitten 2a und 2b mit der Linearführung 1 verklemmt werden können. Aus der Fig. 2a geht nicht hervor, daß die Schlitten 2a und 2b wenigstens teilweise mit der Linearführung 1 in Eingriff stehen, so daß durch die Längenausdehnung der Piezostellelemente 3a und 3b mit der Linearführung 1 verspannbar sind und auf diese Weise relativ zur Linearführung 1 fest fixierbar sind.A movement element is shown in FIG. 2a. On a linear guide 1 , two slides 2 a and 2 b are horizontally movably arranged on the linear guide 1 . Piezo actuating elements 3 a and 3 b are arranged perpendicular to linear guide 1 in slides 2 a and 2 b. The piezo actuator elements 3 a and 3 b are provided with an electrical voltage supply, not shown in the figure, via which an electrical control voltage can be applied, so that when an electrical voltage is applied, the piezo actuator elements 3 a and 3 b experience a linear expansion, so that the carriage 2 a and 2 b can be clamped with the linear guide 1 . From Fig. 2a it does not appear that the carriage 2 a and 2 b are at least partially engaged with the linear guide 1 , so that the linear extension 1 can be braced by the linear expansion of the piezo actuators 3 a and 3 b and in this way relatively for linear guide 1 are firmly fixable.

Auf den Schlitten 2a und 2b sind jeweils Befestigungselemente 4a und 4b montiert. Zwischen den Befestigungselementen 4a und 4b ist ein weiteres, weitgehend parallel zur Linearführung 1 angeordnetes Piezostellelement 5 vorgesehen, das fest mit dem Befestigungselement 4a verbunden ist. An seinem anderen Ende des Piezostellelementes 5 ist ein Kraftmesser 6 angeordnet, der als Kraftmeßdose ausgebildet ist und mit dem Befestigungselement 4b verbunden ist. Ebenso ist das Piezostellelement 5 mit einer nicht in der Figur dargestellten elektrischen Zuleitung verbunden, über die eine elektrische Steuerspannung an das Piezostellelement 5 anlegbar ist. Wird an das Piezostellelement 5 eine Spannung angelegt, so dehnt es sich parallel zur Linearführung 1 aus.Fastening elements 4 a and 4 b are respectively mounted on the slides 2 a and 2 b. Between the fastening elements 4 a and 4 b, a further, largely parallel to the linear guide 1 arranged piezo actuator 5 is provided, which is firmly connected to the fastening element 4 a. At its other end of the piezo actuator 5 , a dynamometer 6 is arranged, which is designed as a load cell and is connected to the fastening element 4 b. Likewise, the piezo actuator 5 is connected to an electrical supply line, not shown in the figure, via which an electrical control voltage can be applied to the piezo actuator 5 . If a voltage is applied to the piezo actuator 5 , it expands parallel to the linear guide 1 .

Zur genauen Positionserfassung des Positioniersystems relativ zur Linearführung 1 ist an dieser eine Maßeinheit vorgesehen, die als Glasmaßstab 7 ausgebildet ist und von einem optischen Sensor, der an wenigstens einem Schlitten angebracht ist, ablesbar ist. Ebenso ist es möglich, die Positionserfassung im Wege von induktiv, kapazitiv oder mechanisch wirkenden Sensoren zu realisieren.For precise position detection of the positioning system relative to the linear guide 1 , a unit of measure is provided there, which is designed as a glass scale 7 and can be read by an optical sensor which is attached to at least one slide. It is also possible to implement position detection using inductive, capacitive or mechanical sensors.

In Verbindung mit der Fig. 3 soll beschrieben werden, wie die Fortbewegung des Positioniersystems auf einer Linearführung erfolgt.In connection with FIG. 3, it will be described how the positioning system moves on a linear guide.

Fig. 3 zeigt ein Spannungs-/Zeit-Diagramm, in dem die elektrischen Steuerspannungen, die an den in einem Bewegungselement gemäß Fig. 2a und b vorgesehenen Piezostellelemente angelegt werden, dargestellt sind. In dem Diagramm entspricht die Abszisse der Zeitachse und die Ordinate der Spannungsachse. Der Spannungsverlauf P1 entspricht der elektrischen Steuerspannung, die an dem Piezostellelement 3a angelegt ist. Die elektrische Steuerspannung P2 entspricht der elektrischen Steuer­ spannung, die an dem weitgehend parallel zur Linearführung 1 angeordneten Piezostellelement 5 ange­ legt ist. Der in dem Diagramm in Fig. 3 abgebildete unterste Spannungsverlauf entspricht der elektrischen Steuerspannung, die an dem Piezostellelement 3b ange­ legt wird. FIG. 3 shows a voltage / time diagram in which the electrical control voltages that are applied to the piezo actuating elements provided in a movement element according to FIGS . 2a and b are shown. In the diagram, the abscissa corresponds to the time axis and the ordinate to the voltage axis. The voltage curve P1 corresponding to the electric control voltage applied to the piezoelectric actuator 3 a. The electrical control voltage P2 corresponds to the electrical control voltage, which is placed on the largely parallel to the linear guide 1 piezo actuator 5 is. The lowest voltage curve shown in the diagram in FIG. 3 corresponds to the electrical control voltage that is applied to the piezo actuator 3 b.

Zunächst liegt an dem Piezostellelement 3a gemäß Fig. 2 eine Steuerspannung U_A an und verspannt auf diese Weise den Schlitten 2a mit der Linearführung 1. An den Piezostellelementen 3b und 5 ist zu anfangs keine Spannung angelegt, d. h., der Schlitten 2b ist frei relativ zur Linearführung 1 verfahrbar und das Piezostellelement 5 befindet sich im Ruhestand, d. h., es ist nicht gedehnt.First, a control voltage U _A is applied to the piezo actuator 3 a according to FIG. 2 and in this way braces the slide 2 a with the linear guide 1 . No voltage is initially applied to the piezo actuating elements 3 b and 5 , ie the slide 2 b can be moved freely relative to the linear guide 1 and the piezo actuating element 5 is at rest, ie it is not stretched.

Im weiteren wird an das Piezostellelement 5 eine elektrische Steuerspannung U_A angelegt, wodurch das Piezostellelement 5 eine Längenausdehnung erfährt und der Schlitten 2b gegenüber dem Schlitten 2a entlang der Linearführung 1 bewegt wird. In einem weiteren Schritt wird zur Fixierung des Schlittens 2b eine elektrische Steuerspannung an das Piezostellelement 3b angelegt. Im gleichen Moment wird die elektrische Steuerspannung des Piezostellelementes 3a auf Null reduziert, wodurch der Schlitten 2a relativ zur Linearführung 1 beweglich wird. In einem nachfolgenden Schritt wird auch die elektrische Steuerspannung, die an dem Piezostellelement 5 angelegt war, auf Null reduziert, wodurch sich das Piezostellelement 5 verkürzt. Der nun frei bewegliche Schlitten 2a verfährt entlang der Linearführung 1 in Richtung des Schlittens 2b.In further an electric control voltage U _A is applied to the piezoelectric actuator 5 is applied, whereby the piezoelectric actuator 5 undergoes linear expansion and the carriage 2 b relative to the carriage 2 a along the linear guide 1 is moved. In a further step, an electrical control voltage is applied to the piezo actuator 3 b to fix the slide 2 b. At the same moment, the electrical control voltage of the piezo actuator 3 a is reduced to zero, as a result of which the carriage 2 a is movable relative to the linear guide 1 . In a subsequent step, the electrical control voltage that was applied to the piezo actuator 5 is reduced to zero, which shortens the piezo actuator 5 . The now freely movable carriage 2 a moves along the linear guide 1 in the direction of the carriage 2 b.

Durch die vorstehend beschriebene Ansteuerungsweise verfahren die Schlitten in mehreren Zyklen entlang der Linearführung 1. Due to the control method described above, the slides move along the linear guide 1 in several cycles.

Um eine hochgenaue Positionierung zu ermöglichen, wird mit Hilfe des in der Fig. 2 dargestellten Wegmeßsystems, das sich aus der Maßeinheit 7 und einem Sensor 8 zusammensetzt, die zurückgelegte Verfahrstrecke des Positioniersystems erfaßt und über eine Steuereinheit mit einer gewünschten Soll-Strecke verglichen. Die Steuereinheit kann somit auf diese Weise eine hochgenaue Positionierung durch entsprechendes Anlegen der einzelnen elektrischen Steuerspannungen ermöglichen.In order to enable highly precise positioning, the travel measuring system shown in FIG. 2, which is composed of the measuring unit 7 and a sensor 8 , records the travel distance traveled by the positioning system and compares it with a desired target distance via a control unit. The control unit can thus enable highly precise positioning by appropriately applying the individual electrical control voltages.

Zudem erfaßt der Kraftsensor 6 die während der Bewegung auftretenden Reaktionskräfte, die bspw. zwischen den Greiferbacken wirken. Basierend auf diesen kraftabhängigen Ausgangssignalen des Sensors 6 kann eine geregelte Positionierung eines er­ findungsgemäßen Greifersystems durchgeführt werden.In addition, the force sensor 6 detects the reaction forces which occur during the movement and which act, for example, between the gripper jaws. Based on these force-dependent output signals of the sensor 6 , a controlled positioning of a gripper system according to the invention can be carried out.

Sowohl für das Wegmeßsystem als auch für die Kraftmessung können verschiedene Sensorsysteme einge­ setzt werden, wie beispielsweise ein Glasmaßstab, Längenpotentiometer bzw. Kraftmeßdosen, De­ hnungsmeßstreifen, um nur einige zu nennen.Both for the measuring system and for the Force measurement can use various sensor systems like a glass scale, Length potentiometer or load cells, De strain gauges, to name just a few.

BezugszeichenlisteReference list

1 Linearführung
2a, b Schlitten
3a, b Piezostellelemente
4a, b Befestigungselemente
5 Piezostellelement
6 Kraftmesser
7 Maßeinheit
8 Sensor
9a, b Schlitten
10a, b Schlitten
11 Werkstück
12 Kraftmesser
13 Greiferbacken 1 Linear guide
2nda, b sledge
3rda, b Piezo actuators
4tha, b fasteners
5 Piezo actuator
6 Dynamometer
7 Unit of measurement
8th sensor
9a, b sledge
10tha, b sledge
11 workpiece
12th Dynamometer
13 Gripper jaws

Claims (12)

1. Greifersystem zum Handhaben und Feinpositionieren von Gegenständen,

• - mit einer Linearführung (1), auf der zwei Bewegungs­ elemente (9, 10) geführt sind,
• - wobei jedes Bewegungselement (9, 10) zwei Schlitten (9a, 9b, 10a, 10b, 2a, 2b) und ein zwischen diesen und parallel zur Linearführung wirkendes Piezostellelement (5) aufweist, und
• - jeder Schlitten (9a, 9b, 10a, 10b, 2a, 2b) ein weitge­ hend senkrecht zur Linearführung gerichtetes Piezostellelement (3a, 3b) aufweist,
• - mit Greiferbacken (13), die an den sich gegenüber­ stehenden Schlitten (9b, 10a) der Bewegungselemente (9, 10) angeordnet sind,
• - wobei die Piezostellelemente (3a, 3b, 5) mit elektrischen Steuerströmen derart beaufschlagbar sind, daß die beiden Schlitten (9a, 9b, 10a, 10b, 2a, 2b) eines jeden Bewegungselements (9, 10) im Gegentakt an der Linearführung (1) fixierbar sind und durch Längenänderung der parallel zur Linearführung (1) wirkenden Piezostellelemente (5) eine schrittweise Fortbewegung der Bewegungslemente (9, 10) entlang der Linearführung (1) bewirkt wird.

1. gripper system for handling and fine positioning of objects,

• - With a linear guide ( 1 ) on which two movement elements ( 9 , 10 ) are guided,
• - Wherein each movement element ( 9 , 10 ) has two slides ( 9 a, 9 b, 10 a, 10 b, 2 a, 2 b) and a piezo actuator ( 5 ) acting between them and parallel to the linear guide, and
• - Each slide ( 9 a, 9 b, 10 a, 10 b, 2 a, 2 b) has a piezo actuator ( 3 a, 3 b) directed perpendicular to the linear guide,
• - With gripper jaws ( 13 ) which are arranged on the opposing slides ( 9 b, 10 a) of the movement elements ( 9 , 10 ),
• - The piezo actuators ( 3 a, 3 b, 5 ) can be acted upon with electrical control currents such that the two slides ( 9 a, 9 b, 10 a, 10 b, 2 a, 2 b) of each movement element ( 9 , 10 ) can be fixed in push-pull on the linear guide ( 1 ) and a gradual movement of the movement elements ( 9 , 10 ) along the linear guide ( 1 ) is effected by changing the length of the piezo positioning elements ( 5 ) acting parallel to the linear guide ( 1 ).

2. Greifersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Greiferbacken (13) einen Drucksensor (12) aufweisen, der den zwischen den Greiferbacken herrschenden Anpreßdruck erfaßt. 2. Gripper system according to claim 1, characterized in that the gripper jaws ( 13 ) have a pressure sensor ( 12 ) which detects the contact pressure prevailing between the gripper jaws. 3. Greifersystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlitten (2a, 2b) Befestigungselemente (4a, 4b) für das weitgehend parallel zur Linearführung (1) angeordnete Piezostellelement (5) aufweisen.3. Gripper system according to claim 1 or 2, characterized in that the carriage ( 2 a, 2 b) have fastening elements ( 4 a, 4 b) for the largely parallel to the linear guide ( 1 ) arranged piezo actuator ( 5 ). 4. Greifersystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das parallel zur Linearführung (1) angeordnete Piezostellelement (5) mit einem Kraftmesser (6) derart verbunden ist, daß der Kraftmesser zwischen Piezostellelement (5) und Be­ festigungselement (4a, 4b) angeordnet ist.4. Gripper system according to claim 3, characterized in that the parallel to the linear guide ( 1 ) arranged piezo actuator ( 5 ) is connected to a dynamometer ( 6 ) such that the dynamometer between the piezo actuator ( 5 ) and Be fastening element ( 4 a, 4 b ) is arranged. 5. Greifersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die im wesentlichen senkrecht zur Linearführung gerichteten Piezostellelemente (3a, 3b) ebene Flächenabschnitte aufweisen, über die sie mit der Linearführung (1) bei An­ liegen eines elektrischen Steuerstromes in unmittelbare Berührung treten.5. Gripper system according to one of claims 1 to 4, characterized in that the substantially perpendicular to the linear guide piezo actuating elements ( 3 a, 3 b) have flat surface sections over which they are with the linear guide ( 1 ) at an electrical control current in come into direct contact. 6. Greifersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Linearführung (1) einen flächigen Abschnitt aufweist, der den im wesentlichen senkrecht zur Linearführung gerichteten Piezostellelementen gegenüberliegend angeordnet ist.6. Gripper system according to one of claims 1 to 5, characterized in that the linear guide ( 1 ) has a flat section which is arranged opposite the piezo actuator elements directed substantially perpendicular to the linear guide. 7. Greifersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß an der Linearführung (1) Maßeinheiten (7) vorgesehen sind.7. Gripper system according to one of claims 1 to 6, characterized in that on the linear guide ( 1 ) units ( 7 ) are provided. 8. Greifersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß an wenigstens einem Schlitten (2a, 2b) eines jeden Bewegungselements ein Sensor (8) angebracht ist, der die Maßeinheiten (7) erfaßt.8. Gripper system according to one of claims 1 to 5, characterized in that a sensor ( 8 ) is attached to at least one carriage ( 2 a, 2 b) of each movement element, which detects the units of measurement ( 7 ). 9. Greifersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das im wesentlichen sen­ krecht zur Linearführung gerichtete Piezostellelement (3a, 3b) derart auf dem Schlitten (2a, 2b) befestigt ist, so daß nach Anlegen der elektrischen Steuerspannung das Piezostellelement (3a, 3b) eine Längenausdehnung erfährt, durch die Teile des Schlittens (2a, 2b) gegen die Linearführung (1) ge­ drückt werden.9. Gripper system according to one of claims 1 to 8, characterized in that the substantially perpendicular to the linear guide directed piezo actuator ( 3 a, 3 b) is attached to the carriage ( 2 a, 2 b) so that after the application Electrical control voltage, the piezo actuator ( 3 a, 3 b) experiences a linear expansion through which parts of the carriage ( 2 a, 2 b) are pressed against the linear guide ( 1 ). 10. Verfahren zum Feinpositionieren von Werkzeugen oder Werkstücken unter Verwendung des Greifersystems nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch die zeitliche Abfolge folgender Verfahrensschritte:

• - zunächst wird ein erster Schlitten (2a) eines ersten Bewegungselements mittels des auf dem Schlitten vorgesehenen und senkrecht zur Linearführung gerichteten Piezostellelementes (3a) durch Anlegen der Steuerspannung mit der Linearführung (1) verspannt,
• - das parallel zur Linearführung angeordnete Piezostellelement (5) wird mit einer elektrischen Steuer­ spannung beaufschlagt, so daß sich dieses Piezostellelement (5) ausdehnt und den zweiten Schlitten (2b) des ersten Bewegungselements, an dessen senkrecht zur Linearführung gerichteten Piezostellelement (3b) keine elektrische Steuerspannung anliegt, auf der Linearführung (1) verschiebt,
• - an dem senkrecht zur Linearführung gerichteten Piezostellelement (3b), das auf dem verschobenen zweiten Schlitten (2b) des ersten Bewegungs­ elements vorgesehen ist, wird eine elektrische Steuerspannung angelegt, so daß sich dieser schlitten (2b) mit der Linearführung (1) verspannt,
• - die elektrische Steuerspannung an dem weitgehend parallel zur Linearführung (1) angeordneten Piezostell­ element (5) sowie an dem senkrecht zur Linearführung gerichteten Piezostellelement (3a) des ersten Schlittens (2a) des ersten Bewegungselements wird voll­ ständig zurückgenommen, so daß sich das weitgehend parallel zur Linearführung angeordneten Piezostellelement (5) verkürzt und der erste Schlitten (2a) auf den zweiten (2b) zubewegt wird,
• - die Schlitten des zweiten Bewegungs­ elements werden entsprechend zu den vor­ stehenden Verfahrensschritten angesteuert und bewegt, so daß beide Bewegungselemente (9, 10) synchron ver­ fahren werden und ein zwischen den Greiferbacken (13) eingespanntes Werkstück (11) entlang der Linearführung (1) positioniert werden kann.

10. Method for fine positioning of tools or workpieces using the gripper system according to one of claims 1 to 9, characterized by the chronological sequence of the following method steps:

• - First, a first slide ( 2 a) of a first movement element is braced by means of the piezo positioning element ( 3 a) provided on the slide and directed perpendicular to the linear guide by applying the control voltage to the linear guide ( 1 ),
• - The parallel to the linear guide piezo actuator ( 5 ) is acted upon by an electrical control voltage, so that this piezo actuator ( 5 ) expands and the second carriage ( 2 b) of the first movement element, on its perpendicular to the linear guide piezo actuator ( 3 b) there is no electrical control voltage, moves on the linear guide ( 1 ),
• - An electrical control voltage is applied to the piezo-actuating element ( 3 b) directed perpendicular to the linear guide, which is provided on the displaced second slide ( 2 b) of the first movement element, so that this slide (2b) with the linear guide ( 1 ) tense,
• - The electrical control voltage on the largely parallel to the linear guide ( 1 ) arranged piezo actuator ( 5 ) and on the perpendicular to the linear guide piezo actuator ( 3 a) of the first carriage ( 2 a) of the first movement element is completely withdrawn, so that the Shortened largely parallel to the linear guide piezo actuator ( 5 ) and the first carriage ( 2 a) is moved towards the second (2b),
• - The carriage of the second movement elements are controlled and moved in accordance with the above method steps, so that both movement elements ( 9 , 10 ) move synchronously ver and a workpiece ( 11 ) clamped between the gripper jaws ( 13 ) along the linear guide ( 1 ) can be positioned.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß mit Hilfe eines Weg­ meßsystems die zurückgelegte Strecke auf der Linearführung gemessen wird und über eine Steuereinheit die Bewegung des Greifersystems unter zu­ grundelegung einer Soll-Strecke geregelt wird.11. The method according to claim 10, characterized in that with the help of a way measuring system the distance covered on the Linear guide is measured and via a control unit the movement of the gripper system under too basic setting of a target route is regulated. 12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß unter Verwendung eines Kraftmessers (6, 12), der an den Schlitten oder/und an den Greiferbacken angebracht ist, eine kraftabhängige Regelung der Feinpositionierung des Greifersystems vorgenommen wird, so daß eine vorgegebene Maximalkraft, die auf ein zwischen den Greiferbacken eingespanntes Werkstück ausgeübt wird, nicht überschritten wird.12. The method according to claim 10 or 11, characterized in that using a force meter ( 6 , 12 ) which is attached to the carriage and / or on the gripper jaws, a force-dependent control of the fine positioning of the gripper system is carried out so that a predetermined The maximum force exerted on a workpiece clamped between the gripper jaws is not exceeded.