DE2416215A1

DE2416215A1 - Verfahren und vorrichtung fuer die lageaenderung eines werkstueckes

Info

Publication number: DE2416215A1
Application number: DE2416215A
Authority: DE
Inventors: Anton Soederqvist
Original assignee: LKB Produkter AB
Current assignee: Pfizer Health AB
Priority date: 1973-04-06
Filing date: 1974-04-03
Publication date: 1974-10-24
Also published as: JPS507181A; ATA274274A; US3957162A; AT351834B; FR2224248A1; DE2416215B2; DE2416215C3; GB1468890A; FR2224248B1

Description

Patentanwälte Liedl, Dr. Pontani, Nüth, Zeitler München 22, Steinsdorfstraße 21-22, Telefon 089/29 84 62

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LKB-Produkter AB, S-161 25 B r ο m m a I, Schweden

Verfahren und Vorrichtung für die Lageänderung eines V/erkstückes

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Lageänderung eines auf einer Gleitfläche befindlichen Werkstückes in einer gegebenen Richtung und eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

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In dar Technik taucht häufig das Problem auf, eine Lageänderung eines Werkstückes mit äußerst guter Präzision durchzuführen. Die Lageänderung, welche hier besprochen werden soll, kann in der Größenordnung von einigen Zentimetern oder Teilen von Millimetern liegen. Die Lageänderung kann sich gelegentlich innerhalb dieses Bereiches für ein und dasselbe W erkstück ändern, wobei jedoch die Erfordernisse an die Präzision unverändert aufrechterhalten bleiben. Unter der Bezeichnung Werkstück soll ein Objekt verstanden werden, das ständig oder für einige Bearbeitungszwecke in eine genaue vorbestimmte Lage gebracht werden soll. Auch kann darunter ein Werkzeug verstanden werden, das eine Bearbeitung in einer genau vorbestimmten Lage durchführt. Ferner kann man darunter Befestigungen bzw. Fassungen und Bearbeitungstische für derartige Objekte und Werkzeuge verstehen.

Ein Beispiel einer Lageänderung, bei der eine hohe. Präzision gefordert wird, ist die Einstellung des Messertisches eines Ultramikrotoms. Beim Schneiden eines Objektes in einem Ultramikrotom ist das Messer normalerweise stationär angeordnet, während das Objekt sich auf einem Probenarm befindet, der in Richtung zur Schneidkante hin bewegt wird. Es ist daher notwendig, daß das Masser Einstellmöglichkeiten aufweist, um die besten Schneidbedingungen vorzusehen. Dies wird in der Praxis dadurch gelöst, daß das Messer an einem Messertisch befestigt ist, -der in verschiedene Richtungen verschoben werden kann. Diese Verschiebung bzw. Lageänderung in die beste Messerposition muß mit äußerst hoher Präzision durchgeführt werden können.

Ein weiteres Baispiel, bei dem Lageveränderungen innerhalb kurzer Distanzen mit hoher Genauigkeit durchgeführt werden sollen, ist das Verschweißen und Verlöten von Elektroden bei der Herstellung von Mikroschalt-

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kreisen. Beim Einfügen der Bauteile muß man hier eine ävßerst hohe Genauigkeit erzielen.

Außerdem ist bei Arbeiten auf dem feinmechanischen Sektor im allgemeinen häufig erwünscht, Lageveränderungen innerhalb kurzer Distanzen mit hoher Genauigkeit durchzuführen.

Das Verfahren, das hauptsächlich zur Durchführung äußerst kurzer Lage änderungen verwendet wird, welche bei den vorstehend genannten oder anderen Verwendungszwecken notwendig sind, bedient sich zur Lageänderung einer Mikrometerschraube. Hierbei kann man mittels einer genügend kleinen Ganghöhe des Gewindes und mit der möglichen Änderung des Drehmomentes äußerst kleine und genaue Lageänderungen erzielen.

Die Lageänderungen bzw. Verschiebungen mittels der Mikrometerschraube werden jedoch in der Hauptsache manuell durchgeführt. Hieraus ergibt sich in mancher Beziehung ein Nachteil, insbesondere dann, wenn eine Fernsteuerung erwünscht ist. Diese Fernsteuerung ist beispielsweise dann notwendig, wenn in Kälte oder bei Strahlungsgefahr gearbeitet wird. Darüber hinaus muß die Mikrometerschraube erwärmt werden, damit sie in der Kälte arbeiten kann.

Die Möglichkeit, die Verschiebung elektrisch bei automatisierten programmierten Herstellungsvorgängen zu steuern, ist ebenfalls ein Vorteil.

Eine Vorrichtung für die Lageänderung mittels einer Mikrometerschraube kann natürlich auch mit einem elektrischen Motor versehen sein. Diese Vorrichtung benötigt jedoch Wechselgetriebe, welche sehr teuer sind, insbesondere dann, wenn hohe Genauigkeiten bei

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der Lageveränderung erzielt werden sollen.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung für die Lageänderung eines Werkstückes mit hoher Genauigkeit zu zeigen, bei der die Lageveränderung elektrisch erfolgen kann.

Die Lösung dieser Aufgabe sowie Ausgestaltungen derselben sind in den Patentansprüchen angegeben.

Die Erfindung bringt insbesondere noch die folgenden Vorteile mit sich. Sie zeigt ein Verfahren und eine Vorrichtung, mit der die Lageänderung eines Werkstückes mit äußerst hoher Genauigkeit durchgeführt werden kann, wobei die Lageänderung elektrisch ferngesteuert werden kann. Ferner zeigt die Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung, mit denen äußerst kleine Lage änderungen erhalten werden können. Schließlich zeigt die Erfindung eine Vorrichtung, mit der äußerst geringe Lageänderungen bei hoher Genauigkeit durchgeführt werden können, welche darüber hinaus jedoch äußerst einfach im Aufbau ist und bei der Herstellung wenig Aufwand erfordert.

Anhand der beiliegenden Zeichnungen soll die Erfindung noch näher erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 bis 6 verschiedene bevorzugte Ausführungsbeispiele der Vorrichtung gemäß der Erfindung.

In den Figuren 1 und 2 ist mit 1 eine Gleitfläche bezeichnet, auf welcher ein Werkstück 2 verschoben werden kann. Mit 3 ist ein Elektromagnet bezeichnet, der Magnetpole 4 aufweist. 5 bezeichnet einen Führungsdübel, der mit einem Anschlag 6 versehen ist. Auf dem Führungsdübel 5 ist ein Magnetanker 7 gleitend gelagert. An

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der Befestigungsstelle des Führungsdübels 5 am Elektromagneten 3 ist ein erstes Federelement 8 angeordnet. Desgleichen ist am Anschlag 6 ein zweites Federelement 9 angeordnet.

In der Fig. 3 ist mit 10 ein Führungsdübel bezeichnet, an weichem ein Magnetanker 11 gleitend gelagert ist. Mit 12 ist ein erster Elektromagnet bezeichnet, der Magnetpole 13 aufweist. Mit 14 ist ein zweiter Elektromagnet bezeichnet, der Magnetpole 15 aufweist. 16 und 17 sind erste und zweite Federelemente.

In der Fig. 4 ist mit 18 ein Führungsdübel bezeichnet, an welchem ein Magnetgehäuse 19 gleitend gelagert ist. Das Magnetgehäuse enthält einen ersten Elektromagneten 20, der Magnetpole 21 aufweist, und einen zweiten Elektromagneten 22, der Magnetpole 23 aufweist. Mit 24 und 25 sind erste und zweite stationäre Magnetanker bezeichnet. 26 und 27 bezeichnen erste und zweite Federelemente.

In den Fig. 5a und 5b ist mit 28 eine Grundplatte bezeichnet, die einen Teil des Werkstückes bildet. 29 bezeichnet einen zylindrischen Teil des Werkstückes. Dieser besitzt eine zylindrische Ausdrehung bzw. Wand 30 und eine ringförmige obere Oberfläche 54.

31, 32, 33, 34 bezeichnen erste, zweite, dritte und vierte Elektromagnete, welche symmetrisch um den zylindrischen Teil 29 angeordnet sind. Diese Elektromagnete besitzen Magnetpole 35, 36 und 37, und 39,40 und 41,42. Diese Magnetpole sind durch die Wand des Werkstückes in die Ausdrehung hineingeführt. Mit 43 ist ein fünfter Elektromagnet bezeichnet, der Magnetpole 44 und 45 aufweist. Ein Magnetanker, der als Kugel ausgebildet ist, ist mit 46 bezeichnet.

Die Elektromagnete in den Figuren 1 bis 5 sind mit Spannungsqüellen

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verbunden, die in den Figuren nicht näher dargestellt sind.

In der Figur 6 ist mit 47 ein piezoelektrischer Wandler bezeichnet. Meser enthält einen ersten Block 48, ein piezoelektrisches Element 49 und einen zweiten Block 50. Diese Elemente werden mittels eines Schraubbolzens 51 und einer Mutter 52 zusammengehalten Der piezoelektrische Wandler ist am Werkstück 2 mittels einer Blattfeder 53 befestigt. Das piezoelektrische Element 49 ist an eine nicht näher dargestellte Spannungsquelle angeschlossen.

Die in der Figur 1 dargestellte Vorrichtung arbeitet in der folgenden Weise. Die Gleitfläche 1 und die Bodenfläche des Werkstückes 2 sind in geeigneter Weise sorgfältig plangeschliffen, so daß reproduzierbare Reibungsbedingungen zwischen dem Werkstück und der Gleitfläche vorhanden sind. Bei der Lageveränderung bzw. bei der Verschiebung wird dem Elektromagneten 3 ein geeigneter Spannungsimpuls von einer Spannungsquelle, die in der Figur nicht im einzelnen dargestellt ist, geliefert. Hierdurch wird eine Anzugswirkung auf den Magnetanker 7 in Richtung gegen die Magnetpole 4 des Elektromagneten ausgeübt. Der Magnetanker schlägt auf die Magnetpole mit einem bestimmten Aufprall auf,. welcher auf den Elektromagneten und über diesen auf das Werkstück als mechanischer Impuls übertragen wird. Das Werkstück wird hierdurch in Richtung des Pfeiles in Bewegung versetzt. Mittels des Fdderelementes 8 wird dann der Magnetanker zurückgebracht. Die Rückwärtsbewegung des Magnetankers wird von dem Faderelement 9 aufgefangen, das gegen den Anschlag 6 wirkt. Die Federelemente können aus Spiralfedern oder aus Körpern aus federndem Material, beispielsweise Kunststoff, bestehen.

Gemäß einem wesentlichen Merkmal der Erfindung wird der Aufprall

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des Magnetarikers gegen einen oder beide Magnetpole dahingehend ausgenützt, daß ein Impuls in der Hauptlageveränderungsrichtung aufgebracht wird, während die rücklaufende Bewegung des Magnetankers weich abgefangen wird, so daß der Impuls in der entgegengesetzten Richtung im Vergleich zum ersten Impuls gering ist. Wenn der zweite Impuls eine Lageveränderung des Werkstückes in entgegengesetzter Richtung hervorruft, so wird diese Lageveränderung geringer sein als die Lageveränderung in der Hauptrichtung. Hieraus resultiert dann eine Nettolageveränderung in der Hauptrichtung. In bevorzugter Weise kommt die Erfindung jedoch so zur Anwendung, daß die rückführende Bewegung des Magnetankers ausreichend weich aufgefangen wird, so daß keine Rückwärtsbewegung des Werkstückes hervorgerufen wird.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird die Lageveränderung bzw. die Verschiebung des Werkstückes intermittierend durchgeführt. Das bedeutet, daß das Werkstück im Moment des Aufpralles in Ruhe ist und die Verschiebung, welche auf Grund des mechanischen Impulses hervorgerufen wird, beendet ist, bevor die rückgeführte Bewegung des Magnetankers vom Federelement weich aufgefangen wird. Hierbei ist es notwendig, daß der durch den Aufprall des Magnetankers gegen einen oder beide Magnetpole hervorgerufene Impuls eine derartige Kraft ausübt, welche groß genug ist, um die statische Reibung zwischen dem Werkstück und der Gleitfläche zu überwinden. Die Kraft, welche jedoch in entgegengesetzter Richtung bei Rückführung des Magnetankers beim Auffangen mittels des Federelementes zur Auswirkung kommt, ist j edoch ausreichend klein, so daß die statische Reibung bzw. Haftreibung nicht überwunden wird. Bei diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird daher die Lageveränderung Schritt für Schritt vorgenommen. Wenn den Elektromagneten ein Spannungsimpuls

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zugeführt wird, vollführt das Werkstück eine Lageverschiebung mit einem einzigen Schritt. Die Schrittlänge bzw. die Strecke der Lageveränderung ist dann abhängig von der Spannung, welche an eine Spule mit einer vorgegebenen Anzahl von Windungen und einem vorgegebenen Widerstand gelegt wird. Der Elektromagnet ist in geeigneter Weise an eine Spannungsquelle, welche eine Serie von Impulsen liefert^ angeschlossen. Auf diese Weise können eine Vielzahl von Lageveränderungsschritten leicht durchgeführt werden. In geeigneter Weise ist die Frequenz der Spannungs impulse so gewählt, daß sie in Übereinstimmung mit der mechanischen Resonanzfrequenz des Magnetankers und des Federelementes ist, das die Rückwärtsbewegung des Ankers hervorruft. Eine typische Frequenz liegt beispielsweise bei 25 Hz, bei der Schritt-

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längen von 10 bis 10 m leicht erreicht werden können.

Die Vorrichtung in der Fig. 2 arbeitet dementsprechend. Die Anordnung von Elektromagnet und Anschlag im Bezug auf das Werkstück sind bei diesem Ausführungsbeispiel verschoben. Der Magnetanker wird in einer Richtung vom Werkstück wegbewegt, wenn an den Elektromagneten ein Spannungsimpuls gelegt wird. Die Lageänderung des Werkstükkes ist durch den Keil angedeutet.

Die Vorrichtung in der Fig. 3 arbeitet ähnlich. Um das Werkstück in Richtung des Pfeiles zu verschieben, wird an den Elektromagneten 12 ein Spannungsimpuls oder eine Serie von Spannungs impulsen gelegt. Nach dem Aufprall des Magnetankers gegen die Magnetpole 1 wird die Rückwärtsbewegung des Magnetankers vom Federelement 17 aufgefangen.. Bei der Verschiebung des Werkstückes in entgegengesetzter Richtung wird der Elektromagnet 14 verwendet, an den dann ein Spannungsimpuls oder eine Serie von Spannungsimpulsen gelegt wird. Nach dem Aufprall des Magnetankers auf die Magnetpole 15 wird die Rückwärts -

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bewegung des Magnetankers von dem Federelement 16 aufge.s mgen.

Die Vorrichtung in der Fig. 4 arbeitet entsprechend. Wenn das Werkstück in Richtung des Pfeiles verschoben werden soll, wird an den ersten Elektromagneten 20 ein Spannungsimpuls gelegt. Die Magnetpole 21 und das Magnetgehäuse 19 werden dann gegen den ersten Magnetanker 24 aufgruna der anziehenden Wirkung bewegt und treffen auf diesen mit einem Aufprall auf. Wenn das Werkstück in entgegengesetzter Richtung verschoben werden soll, wird der Elektromagnet 22 mit einem Spannungsimpuls beaufschlagt.

Vorteilhaft ist es, daß das Werkstück an einem beliebigen Punkt in einem angenommenen Koordinatensystem auf der Gleitfläche angeordnet werden kann. Für diesen Fall kann die Vorrichtung gemäß der Erfindung vorwärts und rückwärts entlang zweier senkrecht aufeinanderstehender Achsen verschoben werden. Ein Werkstück mit Parallelepiped-Form kann dann an vier Seiten mit Vorrichtungen gemäß den Fig. 1 oder 2 oder an zwei senkrecht zueinander liegenden Seiten mit Vorrichtungen gemäß den Fig. 3 oder 4 versehen werden.

Die Vorrichtung in der Fig. 5 ist ebenfalls für eine derartige Lageveränderung verwendbar. Mit dieser Vorrichtung kann man entlang zweier senkrecht aufeinanderstellender Achsen Hin- und Herbewegungen vollführen, wobei für alle Lageveränderungen ein und derselben Magnetanker, der eine Kugelform aufweist, verwendet wird. Bei einer Lageveränderung in Richtung des Pfeiles wird an den Elektromagneten 31 ein Spannungsimpuls gelegt, wobei der Magnetanker 46 gegen die Magnetpole 35 und 36 rollt. Der Magnetanker stößt gegen den Magnetpol mit einem bestimmten Aufprall. Dieser wird als mechanischer Impuls auf das Werkstück übertragen. Nach dem Aufprall wird der Magnetanker zurückbewegt und die Rückwärtsbewegung wird ohne Aufprall weich

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abgefangen. Bei dem Ausführungsbeispiel in der Figur wird dies mittels eines Magnetfeldes zwischen den Polen 44 und 45 erzielt. Dieses Magnetfeld wird vom Elektromagneten 43 erzeugt. In bevorzugter Weise wird dieses Magnetfeld konstant gehalten. Indem man nun an irgendeinen der Elektromagnete 31, 32, 33, 34 einen Spannungsimpuls liefert, kann das Werkstück in eine beliebige Richtung verschoben werden.

Beim Ausführungsbeispiel in der Fig. 6 wird der Elektromagnet vom piezoelektrischen Wandler 49 ersetzt. Wenn an diesen ein Spannungsimpuls gelegt wird, unterliegt er einer Formänderung. Aufgrund dieser Formänderung wird an den Block 48 ein mechanischer Impuls weitergegeben. Dieser mechanische Impuls wird auf das Werkstück übertragen, wodurch eine Lageveränderung desselben stattfindet. Der Block 48 kann am Werkstück beispielsweise mittels des Federelementes 53 aufgehängt sein. Es besteht jedoch auch die Möglichkeit, daß der Block 46 direkt am Werkstück befestigt ist.

Bei einem Werkstück mit Parallelepiped-Form kann dieses an vier Seiten mit Vorrichtungen gemäß der Fig. 6 versehen sein, so daß eine Verschiebung des Werkstückes in Hin- und Herrichtung entlang zweier senkrechter Achsen möglich ist.

Das piezoelektrische Element bei der Ausführungsform in der Fig. 6 kann auch mit einer Spannungsquelle verbunden sein, welche eine Serie von Spannungsimpulsen liefert. Hierbei kann man mehrere Lageveränderungsschritte leicht erzielen. Der Frequenzbereich, welcher bevorzugt bei diesem Ausführungsbeispiel zur Anwendung kommt, liegt bei 10 000 bis 50 000 Hz.

Es sei darauf hingewiesen, daß eine Verschiebung entlang eines Kreis-

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bogens, d.h. Drehbewegungen und Wendebewegurigen bei der fcrfindungj möglich sind, so daß diese nicht außerhalb des Schutzumfanges liegen. Die Vorrichtungen gemäß der Erfindung können dann entlang eines Umfanges bzw. einer Peripherie um einen Drehpunkt mit vertikalen oder horizontalen Achsen angeordnet sein. Wenn beispielsweise in der Vorrichtung gemäß der Fig. 5 die obere Oberfläche 54 eine Gleitfläche
für ein anderes Werkstück bildet, kann die Bewegung desselben aufgrund der zylindrischen Ausdrehung 30 zentriert werden. Dieses andere Werkstück ist dann entlang einer Umfangslinie mit Vorrichtungen gemäß der Erfindung versehen. Es kann dann eine Lageveränderung zu einem beliebigen Punkt innerhalb eines angenommenen Koordinatensystemes und auch unter einem beliebigen Winkel durchgeführt werden.

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Claims

Patentansprüche

(JL/ Verfahren zur Lageänderung eines auf einer Gleitfläche befindlichen Werkstückes in eine gegebene Richtung, dadurch gekennzeichnet, daß die Reibung zwischen dem Werkstück und der Gleitfläche durch mechanische Impulse überwunden wird, welche in die gegebene Richtung gegen das Werkstück oder gegen ein mit dem Werkstück mechanisch verbundenes Element gerichtet sind.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem ersten mechanischen Impuls ein zweiter mechanischer Impuls nachgeschickt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite mechanische Impuls nach Beendigung der Lageänderung des Werkstückes, welche durch den ersten mechanischen Impuls ausgelöst worden ist, nachgeschickt wird.
4. Vorrichtung zur Durchführung der Lageänderung eines auf einer Gleitfläche befindlichen Werkstückes in einer gegebenen Richtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Körper vorgesehen ist, der gegenüber dem Werkstück verschiebbar und der aufgrund eines elektrischen Spannungsimpulses in der gegebenen Richtung unter Aufprallen gegen das Werkstück oder ein mit dem Werkstück mechanisch verbundenes Element so bewegbar ist, daß ein mechanischer Impuls auf das Werkstück übertragen wird.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Elektromagnet, der zwei Magnetpole aufweist, mechanisch mit dem Werkstück verbunden ist und daß der Körper als Magnetanker ausgebil-

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det ist, der bezüglich des Elektromagneten verschiebbar angeordnet ist, wobei bei Anlegen eines Sparinungsimpulses an den Elektromagneten der Magnetanker in Richtung auf den Elektromagneten zubewegt wird und bei Aufprall auf einen der Magnetpole auf das Werkstück ein mechanischer Impuls übertragen wird. ■
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetanker als Kugel ausgebildet ist, welche in einer Ausnehmung im Werkstück angeordnet ist und daß die Magnetpole durch die Wand des Werkstückes in die Ausnehmung geführt sind, so daß die Kugel bei Anlegen eines Spannungs impulses an den Elektromagneten gegen einen der Magnetpole rollt und auf diesen aufprallt, so daß ein mechanischer Impuls auf das Werkstück übertragen wird.
7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetanker auf einem Führungsdübel, der am Elektromagneten befestigt ist, geführt ist und daß der Magnetanker entlang dem Führungsdübel gegen den Elektromagneten sich bewegt, wenn ein Spannungsimpuls an den Elektromagneten gelegt ist, so daß der Magnetanker gegen einen der Magnetpole des Elektromagneten aufprallt und hierbei einen mechanischen Impuls auf das Werkstück überträgt.
8. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper mechanisch mit einem piezoelektrischen Element verbunden ist, das bei einem angelegten Spannungsimpuls einer Formänderung unterworfen ist, so daß der Körper eine Bewegung ausführt, die gegen das Werkstück oder gegen ein mit dem Werkstück mechanisch verbundenes Element prallt, so daß ein mechanischer Impuls auf das Werkstück übertragen wird.

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9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper mittels eines Federelementes am Werkstück aufgehängt ist.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4-9, dadurch gekennzeichnet, daß eine Spannungsquelle zur Erzeugung einer Serie von Spannungsimpulsen vorgesehen ist.

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