DE3729453A1 - Kinetischer transformator - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Transformator gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1, wie er insbesondere als Bewegungs-Untersetzer einer Fein-Stelleinrichtung für Positionier- und Abtastzwecke in der Versuchs- und Meßtechnik etwa in der Bauform einer Mikrometer­ schraube (DE-OS 34 32 405) oder in der Bauform eines Verstellgetriebes (DE-OS 35 46 317) bzw. als Meßtaster (DE-PS 33 25 287) bekannt ist.

Vorbekannte Anordnungen dieser Art weisen insbesondere die Nachteile auf, für gut reproduzierbare, eingangsgrößenabhängige Ausgangsbe­ wegungen eines sehr hohen konstruktiven Aufwandes zu bedürfen und nur in einer Transformationsrichtung, meistens mit geringer Kraftein­ leitung bei großen Eingangswegen, anwendbar zu sein.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Trans­ formator gattungsgemäßer Art derart auszulegen, daß er möglichst mit preiswert erhältlichen Maschinenbau-Normteilen erstellbar und in beiden Transformationsrichtungen einsetzbar ist sowie ohne großen konstruktiven Zusatzaufwand je nach dem vorgesehenen Einsatzfall adaptiv oder umschaltbar eine mehrstufige Transformation zuläßt.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß im wesentlichen dadurch gelöst, daß der gattungsgemäße kinetische Transformator gemäß dem Kennzeichnungs­ teil des Anspruches 1 ausgebildet ist.

Nach dieser Lösung beruht der Transformator auf der Hebelgesetz­ mäßigkeit schlupffrei zwischen zwei Flächen abrollender und in einem Käfig gefaßter Wälzkörper, nachstehend allgemein als Kugeln bezeichnet; wobei die eine Fläche stationär gehaltert ist und die andere Fläche bzw. der Kugelkäfig je nach der Transformationsrichtung als Antriebs- bzw. Abtriebselemente dienen. Pro Flächenpaarung beiderseits eines Wälzkörpers, als z.B. Kugelkäfigs ergibt sich die Bewegungs- bzw. Kraft- oder Leistungstransformation um den Wert 2 bzw. 0,5; mit Potenzierung dieses Wertes um die Anzahl von auf der gleichen Träger-Außen­ mantelfläche getragenen Käfigen, wenn das von den Wälzkörpern ge­ tragene Bewegungselement seinerseits wieder als Käfig für ein weiteres, nun von diesen Wälzkörpern getragenes Außenmantelflächen-Bewegungs­ element ausgelegt ist. Wenn z.B. die Eingangskraft unmittelbar an einem Kugelkäfig angreift, führt dessen Bewegung zu doppeltem Be­ wegungshub und doppelter Bewegungsgeschwindigkeit des davon getragenen Bewegungselementes, also zu einer Übersetzung der Bewegung bei Unter­ setzung der Eingangskraft zur ausgangsseitig verfügbaren Kraft. Wenn dagegen die Eingangskraft nur mittelbar an einem Kugelkäfig angreift, nämlich durch Verdrehen seiner Kugeln mittels der Innen­ mantelfläche des Bewegungselementes, führt das umgekehrt zu einer mit der Potenz des Wertes 2 erfolgenden Herabtransformation der Bewegungsgrößen bei Übersetzung der Eingangskraft zur ausgangsseitig verfügbaren Kraft.

Die Transformatorfunktion beruht also physikalisch auf der Kinematik einer Kugellageranordnung, wie sie als Präzisions-Kugelführungen für Längs- oder Drehbewegungen höchster Führungsgenauigkeit aufgrund absoluter Spiel- und Reibungsfreiheit aus der Lagerungstechnik bekannt sind; weshalb für die praktische Realisierung eines solchen Transfor­ mators weitgehend auf die standardisiert verfügbaren Bauelemente der Lagerungstechnik und damit auf preisgünstig verfügbare Präzisions- Konstruktionselemente zurückgegriffen werden kann.

Hinsichtlich der Ausführung der Wälzlager kann es sich dabei um Rollenlager handeln, wenn nur eine Längsbewegung transformiert werden soll; während eine Kugelkäfig-Ausführung die Vorteile allseitig exakter Führung und der Überlagerungsmöglichkeit von Längs- und Drehbewegungen bzw. der Transformation auch reiner Drehbewegungen aufweist. Gegenüber den Standard-Ausführungen der Wälzlagertechnik muß nur gewährleistet sein, daß der Wälzkörper-Käfig - je nach der Transformationsrichtung - als Antriebselement oder als Abtriebselement und dementsprechend das vom Wälzkörper getragene Innenmantelflächen-Be­ wegungselement als Abtriebselement bzw. als Antriebselement konstruktiv zugänglich ist, um dort die Stellelemente bzw. Koppelglieder angreifen lassen bzw. anschließen zu können. Als Stellglieder werden vorzugs­ weise Piezo-Aktuatoren eingesetzt, die für Stellbewegungen im Mikro­ meterbereich reproduzierbar elektrisch angesteuert werden können, mit präziser Bewegungs-Untersetzung durch mehrfach gestapelte Wälz­ körper-Käfige in entsprechend reproduzierbare Ausgangsbewegungen im Nanometerbereich, wie sie etwa in der experimentellen Optik und in der Hochenergie-Lasertechnik für exakte Reflektor-Positionierungen erforderlich sind.

Vorzugsweise ist der ortsfeste Träger des Transformators ein konzentrisch- zentrales Tragelement, auf dem die Wälzkörper der einzelnen hohl­ zylindrischen oder hülsenförmigen Käfige abrollen. Es kann aber auch der äußerste Käfig bzw. die von ihm getragene Hülle als stationäres Tragelement eingesetzt sein, mit Verlagerung des Bewegungsangriffes oder -abgriffes von dort zum zentralen, in den Wälzkörperkäfigen geführten Bauelement.

Zusätzliche Alternativen und Weiterbildungen sowie weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen und, auch unter Berücksichtigung der Darlegungen in der Zusammenfassung, aus nachstehender Beschreibung von in der Zeichnung unter Beschränkung auf das Wesentliche stark abstrahiert skizzierten bevorzugten Reali­ sierungs- und Anwendungsbeispielen zur erfindungsgemäßen Lösung. Es zeigt:

Fig. 1 im Axial-Längsschnitt einen kinetischen Transformator mit zentralem Tragelement und sowohl axial wie radial gestaffelten Bewegungselementen und

Fig. 2 in Abwandlung der Darstellung gemäß Fig. 1 einen kinetischen Transformator mit axialer Staffelung der Bewegungselemente.

Im Axiallängsschnitt skizzierte kinetische Transformator 11 dient der Umsetzung von Kraft- und Bewegungs-Eingangsgrößen in transformierte Ausgangsgrößen gleicher physikalischer Dimension. Im dargestellten Beispielsfalle ist ein und nur ein ortsfest gehaltertes, zentrales Tragelement 12 vorgesehen. Auf diesem ruht unter Zwischenlage eines Wälzkörper-Käfigs 13 ein hülsenförmiges Bewegungselement 14. Letzteres ist zugleich wiederum als Käfig 13 auf dem gemeinsamen, zentralen Tragelement 12 geführt und trägt seinerseits wieder ein Bewegungs­ element 14. Im Interesse verkantungsfreier Führung, also symmetrischer Abstützung des ersterwähnten, also innenliegenden Bewegungselementes 14 ruht dieses - zusätzlich zur unmittelbaren Auflage mit seinen eigenen Wälzkörpern, z.B. Kugeln 15, auf dem Tragelement 12 - beider­ seits davon mit den axialen Stirnenden über die Wälzkörper 15 des innersten Käfigs 13 auf dem Tragelement 12.

Beim Tragelement 12 kann es sich um ein gestrecktes Prisma, und beiden Wälzkörpern um Rollen, handeln, wenn nur Bewegungen in Längs­ richtung des Transformators 11 interessieren. Die Ausbildung des Käfigs 13 bzw. des davon getragenen Bewegungselementes 14 kann dann im wesentlichen scheibenförmig sein, übereinander gestapelt auf der tragenden Oberfläche des Tragelementes 12. Bessere Führungsver­ hältnisse ergeben sich jedoch, wenn das Tragelement 12 wenigstens an zwei einander diametral gegenüberliegenden Bereichen von einem Käfig 13 umfaßt wird, um so die radiale Führung (quer zur Längserstreckung des Transformators) sicherzustellen. Für eine all­ seitige radiale Führung sind die Kugelkäfige 13 als Hohlkörper, also hülsenförmig ausgebildet. Fertigungstechnisch einfachste Ver­ hältnisse ergeben sich bei runden Querschnitten für das Tragelement 12, den dieses umfassenden Kugelkäfig 13 und das davon getragenen Bewegungselement 14. Das ermöglicht dann auch, statt der bzw. überlagert zu der translatorischen Bewegung (in Längsrichtung des Tragelementes 12) eine rotatorische Bewegung (um die Systemachse 16 herum) zu transformieren. Im jeweiligen Kugelkäfig 13 sind dann die einzelnen Kugeln 15 um die zylindrischen tragenden Flächen herum verteilt. Dabei sind die Kugeln 15 im Interesse möglichst großflächiger Druck­ verteilung, also zur Vermeidung von Press-Riefen in den tragenden Zylinderflächen, entgegen der vereinfachten zeichnerischen Skizze nicht in Längsschnittebenen nebeneinander (also nicht auf Zylinder­ mantel-Erzeugenden) angeordnet, sondern jeweil benachbarte Kugeln 15 zueinander etwas peripher versetzt, also in zueinander parallelen Spuren längs der tragenden Zylinderfläche verlaufend. Aus dem gleichen Grunde sind jeweils möglichst wenig Kugeln 15 in der gleichen Quer­ schnittsebene angeordnet, sondern stattdessen (wie gestrichelt in der Mitte von Fig. 1 angedeutet) in etwas gegenüber der Längsachse 16 geneigten Ebenen.

Die möglichst leicht drehbar in den Käfigen 13 gehalterten Kugeln 15 ragen jeweils mit zwei einander diametral gegenüberliegenden, quer zur Systemachse 16 orientierten Kugelkappenflächen 17 über die radiale Erstreckung des zugeordneten Käfigs 13 hervor, um mit diesen Kugelkappenflächen 17 jeweils unter radialer Presspassung gegen die Außenmantelfläche 18 des Tragelementes 12 im Innern des hülsenförmigen Käfigs 13 bzw. gegen die zylindrische Innenmantelfläche 19 des auf dem Käfig 13 getragenen Bewegungselementes 14 fest aber abrollfähig zu liegen.

Die radial auf die tragenden Kugelkappenflächen 17 einwirkende Passungs­ kraft bewirkt, daß bei einer Verschiebung eines Elementes 12 bzw. 14 relativ zum Käfig 13 dessen Kugeln 15 schlupffrei auf den besagten Flächen 18, 19 abrollen.

Wenn also, bezogen auf eine Referenzmarke 20 (vgl. Fig. 2) auf dem stationär gehalterten Tragelement 12, der Kugelkäfig 13 um ein Weg­ stück dx (betrachtet wird zur Vereinfachung der Darstellung nur eine lineare Bewegung; obgleich die selben Überlegungen auch für eine rotatorische Bewegung bzw. für überlagerte Bewegungen zutreffen) aus einer Referenzstellung 20 verschoben wird, werden die Kugeln 15 dieses Käfigs 13 um das gleiche Wegstück dx verschoben, weil sie ortsfest im Käfig 13 gehaltert sind. Aufgrund der Presspassungs-An­ lage gegen die tragende Oberfläche 18 rollen die Kugelkappenflächen 17 auf der tragenden Fläche 18 im Zuge dieser Bewegung dabei jeweils um das Bogenstück dx ab. Ein von den Kugeln 15 seinerseits schlupffrei getragenes Bewegungselement 14 wird deshalb infolge der Verlagerung des Käfigs 13 um das Wegstück dx verschoben, und zusätzlich nocheinmal um das Wegstück dx aufgrund der Abrollbewegung der Kugelkappenflächen 17. Das vom Käfig 13 bzw. seinen Kugeln 15 getragene Bewegungselement 14 bewegt sich also gegenüber der Referenzstellung 20 um das doppelte Wegstück 2 dx, bezogen auf die am Käfig 13 angreifende Eingangsbewegung dx.

Wenn das Bewegungselement 14 seinerseits als Kugelkäfig 13 für ein weiteres Bewegungselement 14 dient, verdoppelt sich in diesem, letzteren, die Bewegung des vorangegangenen Bewegungselementes; d.h. das zweite Bewegungselement 14 vollführt bereits eine Bewegung entsprechend dem vierfachen (4 dx) des eingangs eingeprägten Wegstückes dx. Bei einer n-fachen derartigen Staffelung ist der zurückgelegte Weg des n-ten Bewegungselementes 14 dementsprechend gegeben durch das Produkt aus Eingangs-Wegelement dx und dem Faktor 2 zur n-ten Potenz (wie formelmäßig in Fig. 2 rechts angegeben).

Aufgrund des physikalischen Gesetzes von der Erhaltung der Energie müssen Arbeit als Produkt von Kraft und Weg bzw. Leistung als Quotient aus Arbeit und Zeit (bei Vernachlässigung der Abwälz-Verluste) ein­ gangsseitig und ausgangsseitig beim kinetischen Transformator 11 gleich sein. Eine in Fig. 2 dargestellte Transformation des Eingangs­ weges zu längeren Wegstücken bedeutet also eine entsprechende Unter­ setzung der ausgangsseitig verfügbaren gegenüber der eingangsseitig erforderlichen Kraft bzw. - bezogen auf die Bewegungsgeschwindigkeit - eine entsprechende Geschwindigkeitstransformation der Eingangsbe­ wegung zur Ausgangsbewegung.

Umgekehrt liegen die Verhältnisse, wenn gemäß Fig. 1 das Antriebs­ element 21 (entgegen den Verhältnissen nach Fig. 2), auf das eine Eingangskraft 22 zur Verschiebung um das Wegstück dx einwirkt, nicht unmittelbar einen Kugelkäfig 13 in Längsrichtung verschiebt, sondern gegen diesen über seine Kugeln 15 angreift. Denn dann rollen dessen Kugeln 15 längs ihrer Kugelkappenflächen 17 auf der Innenmantel­ fläche 19 um das Wegstück dx ab, das aufgrund des Hebelgesetzes, angewandt auf das Abrollen einer Kugelfläche, zu einer entsprechenden Verlagerung des Kugelkäfigs 13 um die Hälfte des eingangs vorgegebenen Wegstückes dx, also nur um dx/2 führt. Jeder weitere, vom vorigen Kugelkäfig 13 verschobene Kugelkäfig 13 bewegt sich dem gegenüber wieder nur um das halbe Wegstück. Bezogen auf das Eingangs-Wegstück dx bewegt sich also der n-te Käfig 13.n um einen Bruchteil, der durch die n-te Potenz von 2 gegeben ist (wie in Fig. 1 links formel­ mäßig angegeben). Die Bewegungstransformation bewirkt jedoch aufgrund des Erhaltungssatzes der Energie, daß in diesem Falle (Fig. 1 gegen­ über Fig. 2) die verfügbare Ausgangskraft 23 gegenüber der aufgebrachten Eingangskraft 22 um einen Faktor angehoben ist, der (bei Vernach­ lässigung der Abwälz-Verluste) durch die n-te Potenz von 2 gegeben ist. Eine Auslenkung des Antriebselementes 21 um das Wegstück dx, hervorge­ rufen durch die Eingangskraft 22, wird im Falle der Fig. 1 also transformiert in das sehr viel kleinere Wegstück des Abtriebselementes 24, weil die Eingangskraft 22 nicht direkt, sondern nur über seine Kugeln 15 an einem Kugelkäfig 13 angreift.

Für diesen eingangsseitigen Angriff ist im Beispielsfalle der Fig. 1 ein Piezoaktuator 25, elektrisch angesteuert aus einer Steuerschaltung 26 (vgl. DE-PS 35 22 994), vorgesehen. Bezweckt ist beispielsweise eine sehr definierte, reproduzierbare und extrem geringfügige Ver­ stellung eines Laser-Reflektors 27 (etwa für Interferometer-Experimente) oder einer Strahlschwenk-Plattform (vgl. beispielsweise DE-OS 34 22 232). Eine reproduzierbare Ansteuerung des Aktuators 25 für ein Wegstück dx im Mikrometerbereich führt mit einem Transformator 11 aus mehrfach gestaffelten Kugelkäfigen 13 zu einer Ausgangsbewegung, die in den Nanometerbereich untersetzt ist, bei gleichzeitiger Kraftübersetzung zur sicheren Halterung des so positionierten Reflektors 27 mittels eines zwischen Abtriebselement 24 und Reflektor 27 eingeschalteten Koppelgliedes 28.

Für eine Grobeinstellung des Abtriebselementes 24 bzw. des damit verbundenen Koppelgliedes 28 kann der selbe Aktuator 25 oder ein anderer Aktuator 25′, betrieben aus einer Steuerschaltung 26′, ent­ sprechend den Transformationsverhältnissen gemäß Fig. 2 über ein Antriebselement 21 unmittelbar (also jetzt nicht über Kugeln 15) an einem Kugelkäfig 13 zu dessen Verschiebung angreifen. Diese Be­ wegungseinleitung führt nun also zu einer Bewegungsübersetzung mit Kraftuntersetzung, beispielsweise im Interesse rascher Bewegung des Koppelgliedes 28 in eine definierte Ausgangsstellung aus der heraus dann die Feineinstellung erfolgen soll. Durch eine Steuer­ leitung 29 zwischen den Steuerschaltungen 26-26′ ist in Fig. 1 berück­ sichtigt, daß es für diese Grobeinstellung gegebenenfalls erforderlich sein kann, den Feineinstellungs-Aktuator 25 elektrisch mitzuführen, damit seine Momentanstellung die beabsichtigte Grobeinstellung nicht behindert. Aufgrund der eindeutigen Bewegungstransformation zwischen dem eingangsseitigen Antriebselemente 21 und dem ausgangsseitigen Abtriebselement 24 ist diese elektrische Mitführ-Steuerung unproblematisch realisierbar.

Bei mehrfacher Transformation sind die Kugelbereiche der einzelnen Käfige 13 zweckmäßigerweise auf dem gemeinsamen Tragelement 12 in Längsrichtung gegeneinander versetzt, mit mechanischer Abroll-Kopplung durch eine zum Bewegungselement 14 radial aufgeweitete Übergriffs- Muffe 30 am benachbarten Ende dessen echten Käfigs 13. Bei zwei­ stufiger Transformation ist ein symmetrischer Aufbau gemäß Fig. 1 möglich, also mit zwei inneren Käfigen 13 (die jeder und auch beide gleichzeitig als Antriebselement 21 bzw. als Abtriebselement 24 dienen können) und einem äußeren Bewegungselement 14 (als Abtriebs­ element 24 oder Antriebselement 21). Bei mehrfach gestufter Transfor­ mation ist dagegen gemäß Fig. 2 eine mehrfache Hülsenstaffelung in linear benachbarter Folge, solange ein Bewegungselement 14 zugleich ein Käfig 13 für ein weiteres Bewegungselement 14 sein soll, vorge­ sehen; wodurch sich bei geringem radialen Raumbedarf die große er­ forderliche axiale Baulänge für die Führung der entsprechend stärker übersetzten bzw. untersetzten Bewegungen ergibt.

Zur Vereinfachung der Darstellung sind in der Zeichnung exzentrisch zum relativ stationären Tragelement 12 und damit zur Systemachse 16 angreifende Aktuatoren 25 bzw. Koppelglieder 28 skizziert. Ins­ besondere bei einem axial kurzbauenden Transformator 11 mit ent­ sprechend reduzierter Längsführungseigenschaft kann es jedoch zweck­ mäßiger sein, die Antrieb- und Abtriebselemente 21, 28 symmetrisch zur Systemachse 16 anzuordnen und zu beaufschlagen.

Claims (9)

1. Kinetischer Transformator (11), insbesondere für piezogesteuerte Laser-Präzisionsstelleinrichtungen, mit einem Antriebselement (21) und einem damit mechanisch gekoppelten Abtriebselement (24), dadurch gekennzeichnet, daß ein Wälzkörper-Käfig (13) schlupffrei zwischen einem Trag­ element (12) und einem Bewegungselement (14) angeordnet ist, mit Ausbildung des Käfigs (13) und des Bewegungselementes (14) als Triebelementen (21, 24) für Einleitung bzw. Abgriff der mechanischen Eingangs- und Ausgangsgrößen.

2. Transformator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wälzkörper-Käfig (13) als Hohlkörper koaxial zum Trag­ element (12) ausgebildet ist.

3. Transformator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Wälzkörper-Käfig (13) mit Kugeln (15) ausgestattet ist.

4. Transformator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Käfig (13) als dünnwandiger Hohlzylinder ausgebildet ist.

5. Transformator nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Tragelement (12) mit mehreren in Längsrichtung gegen­ einander versetzten Wälzkörper-Käfigen (13) ausgestattet ist, die jeweils die Wälzkörper eines benachbarten Käfigs (13) als radial aufgeweitete Muffe (30) übergreifen.

6. Transformator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein als Triebelement (21, 24) ausgebildetes Bewegungselement (14) nicht seinerseits als Wälzlager-Käfig (13) ausgelegt ist.

7. Transformator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der dem Trieb-Bewegungselement (14) zugeordnete Wälzlager-Käfig (13) mit Muffen (30) in Axialrichtung beiderseits benachbarte Wälzlager-Käfige (13) übergreift.

8. Transformator nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein elektrisch ansteuerbarer Piezo-Aktuator (25) ortsfest mit dem Tragelement (12) angeordnet ist und über ein Bewegungs- Antriebselement (21) auf die Wälzkörper eines Käfigs (13) ein­ wirkt, mit Anschluß eines Abtriebs-Koppelgliedes (28) an einem Wälzkörper-Käfig (13).

9. Transformator nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einleitung eines Eingangskraft (22) mittels wenigstens eines elektrisch ansteuerbaren Piezo-Aktuators (25) wahlweise über ein Bewegungselement (14) auf die Wälzkörper eines Käfigs (13) oder aber direkt auf einen Wälzkörper-Käfig (13) vorgesehen ist.