DE2416215B2 - Vorrichtung zur lageaenderung eines auf einer gleitflaeche befindlichen werkstueckes - Google Patents
Vorrichtung zur lageaenderung eines auf einer gleitflaeche befindlichen werkstueckesInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Lageänderung eines auf einer Gleitfläche befindlichen Werkstückes
in eine gegebene Richtung, mittels der die Reibung zwischen dem Werkstück und der Gleitfläche
durch mechanische Impulse überwunden wird, die in die gegebene Richtung gegen das Werkstück gerichtet sind.
Eine derartige Vorrichtung ist bekannt (DT-PS 06 581).
In der Technik taucht häufig das Problem auf, eine Lageänderung eines Werkstückes mit hoher Präzision
durchzuführen. Die hier interessierenden Lageänderungen liegen in der Größenordnung von einigen
Zentimetern oder Bruchteilen von Millimetern. Unter der Bezeichnung Werkstück soll ein Objekt verstanden
werden, das ständig oder für einige Bearbeitungsvorgänge in eine genau 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 4» notwendig, daß das Messer 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 Beispiel, bei dem Lageveränderungen innerhalb kurzer Distanzen mit hoher Genauigkeit
durchgeführt werden sollen, ist das Verschweißen und Verlöten von Elektroden bei der Herstellung von
Mikroschaltkreisen. Beim Einfügen der Bauteile muß man hier eine äußerst hohe Genauigkeit erzielen.
Außerdem ist bei Arbeiten auf dem feinmechanischen Sektor im allgemeinen häufig erwünscht, Lageveränderungen
innerhalb kurzer Distanzen mit hoher Genauigkeit durchzuführen.
Zur Durchführung äußerst kurzer Lageänderungen bei den vorstehend genannten oder anderen Verwendungszwecken
ist die Mikrometerschraube bekannt. Hierbei kann man mittels einer genügend kleinen
Ganghöhe des Gewindes und mit der möglichen Änderung des Drehmomentes äußerst kleine und
genaue Lageänderungen erzielen.
1,5 Die Lageänderungen bzw. Verschiebungen mittels der Mikrometerschraube werden jedoch in der Hauptsache
manuell durchgeführt. Häufig ist jedoch eine Fernsteuerung erwünscht. Diese Fernsteuerung ist
beispielsweise dann notwendig, wenn bei tiefen Temperaturen oder bei Strahlungsgefahr gearbeitet
wird. Bei tiefen Temperaturen beispielsweise muß die Mikrometerschraube erwärmt werden.
Eine Vorrichtung für die Lageänderung mittels einer Mikrometerschraube kann natürlich au;h mit einem
elektrischen Motor versehen sein. LJiese Vorrichtung
benötigt jedoch Wechselgetriebe, welche sehr teuer sind, insbesondere dann, wenn hohe Genauigkeiten bei
der Lageveränderung erzielt werden sollen.
Aus der eingangs erwähnten deutschen Patentschrift 11 06 581 1st es bekannt, bei einer Werkzeugmaschine
einen verschiebbaren Maschinenteil zwischen zwei Hämmern aufzunehmen, von denen der eine Hammer
zur gleitenden Verschiebung des Maschinenteils Steuer- · bar ist. Die beiden Hämmer sind am Maschinenrahmen
befestigt, so daß das Werkstück nur innerhalb enger Grenzen verschoben werden kann. Außerdem ist ein
zusätzlicher mechanischer Aufwand notwendig.
Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, eine Vorrichtung zur Lageänderung eines auf einer Gleitfläche
befindlichen Werkstückes zu schaffen, mittels der mit relativ geringem mechanischen Aufwand das
Werkstück in beliebiger Richtung und beliebigem Maße auf der Gleitfläche verschoben werden kann.
Diese Aufgabe wird bei der Vorrichtung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die
Vorrichtung mittel- oder unmittelbar mechanisch fest mit dem Werkstück verbunden ist.
Aus der deutschen Auslegeschrift 20 00 091 ist es zum
Verhindern des Hängenbleibens eines beweglichen Teils eines Gerätes bekannt, das Gerät mit einem durch
einen Elektromagneten betätigbaren Hammerteil zu versehen, der gegen eine Schlagauflage bewegbar ist.
Der Elektromagnet sowie der Hammerteil sind dabei am Gerät befestigt. Aus der US-Patentschrift 29 93 739
ist zum Verdrehen von Lagern, in welchen beispielsweise ein Gyroskop gelagert ist, bekannt, die Verdrehung
durch Elektromagnete, in welche magnetostriktive Stäbe eintauchen, zu verwenden. Die Elektromagnete
sind dabei am Gehäuse der Vorrichtung gelagert. Ferner ist aus der deutschen Offenlegungsschrift
20 18 483 eine Vorrichtung zur Bewegung eines Festkörpers bekannt, bei der ein piezoelektrischer
Signalwandler verwendet wird, der starr an einem Rahmen abgestützt ist.
Im Gegensatz dazu ist bei der Erfindung die Vorrichtung zur Lageänderung mittel- oder unmittelbar
mechanisch fest mit dem zu verschiebenden Werkstück verbunden. Auf diese Weise wird erzielt, daß mechanisehe
Impulse auf möglichst kurzem Weg auf das zu verschiebende Werkstück mit relativ geringem mechanischen
Aufwand im Gegensatz zum Stand der Technik auf der Gleitfläche verschoben werden kann. Es können
hierbei äußerst kleine Lageänderungen mit hoher Präzision erzielt werden.
Anhand der Zeichnungen soll die Erfindung noch näher erläutert werden. Es zeigen
F i g. 1 bis 6 verschiedene bevorzugte Ausführungsbeispiele der Vorrichtung gemäß der Erfindung. bo
In den F i g. 1 und 2 ist eine Gleitfläche I1 auf welcher
ein Werkstück 2 verschoben werden kann, gezeigt. Ein Elektromagnet 3 weist Magnetpole 4 auf. Auf einem
Führungsdübel 5, der mit einem Anschlag 6 versehen ist, ist ein Magnetanker 7 gleitend gelagert. An der h>
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 F i g. 3 ist mit 10 ein Führungsdübel bezeichnet,
an welchem ein Magnetanker Il 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 F i g. 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, 38 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 Fig. 1 bis 5 sind mit Spannungsquellen verbunden, die in den Figuren nicht
näher dargestellt sind.
In der F i g. 6 ist mit 47 ein piezoelektrischer Wandler bezeichnet. Dieser 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 F i g. 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 4 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 Federelementes 8 wird dann der
Magnetanker zurückgebracht. Die Rückwärtsbewegung des Magnetankers wird von dem Federelement 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 des Magnetankers 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 Netiolageveränderung 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 jedoch 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 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
Spannungsimpulse 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 Schrittlängen von 10~5 bis 10-7m leicht erreicht
werden können.
Die Vorrichtung in der F i g. 2 arbeitet dementsprechend. Die Anordnung von Elektromagnet und Anschlag
in 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 Werkstückes ist durch den Pfeil angedeutet.
Die Vorrichtung in der F i g. 3 arbeitet ähnlich. Um
das Werkstück in Richtung des Pfeiles zu verschieben, wird an den Elektromagneten 12 ein Spannungsimpuls
oder eine Serie von Spannungsimpulsen gelegt. Nach dem Aufprall des Magnctankcrs gegen die Magnetpole
13 wird die Rückwärtsbewegung des Magnctankers 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 Rückwärtsbewegung des Magnetankers von dem Federelement 16 aufgefangen.
Die Vorrichtung in der Fig. 4 arbeitet entsprechend.
ίο 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 aufgrund 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
F i g. 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
aufeinanderstehender Achsen Hin- und Herbewegungen vollführen, wobei für alle Lageveränderungen ein
und derselbe 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 35 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 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
so Elektromagnete 31, 32, 33, 34 einen Spannungsimpuls
liefert, kann das Werkstück in eine beliebige Richtung verschoben werden.
Beim Ausführungsbeispiel in der F i g. 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,
bo 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 48 direkt am Werkstück befestigt ist.
Bei einem Werkstück mit Parallclcpipcd-Form kann
dieses an vier Seiten mit Vorrichtungen gemäß der Fig.6 versehen sein, so daß eine Verschiebung des
Werkstückes in Hin- und HerrichUing entlang zweier
senkrechter Achsen möglich ist.
Das piezoelektrische Element bei der Ausführungsform in der F i g. 6 kann auch mit einer Spannungsquelle
verbunden sein, welche eine Serie von Spannungsimpulsen liefert. Hierbei kann man mehrere Lageveränderungsschrittc
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 Kreisbogens, d. h. Drehbewegungen und
Wendebewegungen bei der Erfindung, 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 Koordinatensystems und auch unter einem beliebigen Winkel durchgeführt werden.
Claims (8)
1. Vorrichtung zur Lageänderung eines auf einer Gleitfläche befindlichen Werkstückes in eine gegebene
Richtung, mittels der die Reibung zwischen dem Werkstück und der Gleitfläche durch mechanische
Impulse überwunden wird, die in die gegebene Richtung gegen das Werkstück gerichtet sind,
dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung mittel- oder unmittelbar mechanisch fest mit
dem Werkstück (2) verbunden ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung einen Magnetanker (7;
11; 24) und einen an Spannungsimpulse gelegten Elektromagneten (3; 12; 20 und 22) aufweist, wobei
der Elektromagnet (3; 12) oder Magnetanker (24) mittel- oder unmittelbar mechanisch fest mit dem
Werkstück (2) verbunden ist, ro daß die Impulse durch Aufprall des Magnetankers auf den Elektromagneten
bzw. umgekehrt auf das Werkstück übertragen werden.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetanker (7; 11) auf einem
Führungsdübel (5; 10), der am Elektromagneten (3; 12) befestigt ist, geführt ist, so daß der Magnetanker
entlang dem Führungsdübel gegen den Elektromagneten bewegbar ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
daß der Magnetanker (11) auf einem Führungsdübel (10) verschiebbar ist, dessen beide
Enden je an einem Elektromagneten (12 und 14) befestigt sind, deren einer (12) mechanisch fest mit
dem Werkstück (2) verbunden ist (F i g. 3).
5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwei in einem Gehäuse (19) untergebrachte
Elektromagnete (20, 22) auf einem Führungsdübel (18) verschiebbar sind, an dessen Enden
je ein Magnetanker (24,25) befestigt ist, deren einer (24) mechanisch fest mit dem Werkstück (2)
verbunden ist (F i g. 4).
6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Magnetanker als Kugel (46)
ausgebildet ist, welche in einer Ausnehmung (30) eines Werkstückes angeordnet ist und daß Magnetpole
(35, 36; 37, 38; 39, 40; 21, 42) von Elektromagneten (31; 32; 33; 34) durch die Wand des
Werkstückes in die Ausnehmung geführt sind, so daß die Kugel bei Anlegen eines Spannungsimpulses an
den Elektromagneten gegen einen der Magnetpole rollt und auf diesen aufprallt, so daß ein mechanischer
Impuls auf das Werkstück übertragen wird (F ig. 5a, b).
7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Körper (48) mittel- oder unmittelbar
mechanisch fest mit dem Werkstück (2) und mit einem piezoelektrischen Element (49) verbunden ist,
das bei einem angelegten Spannungsimpuls einer Formänderung unterworfen ist, so daß der Körper
(48) eine Bewegung ausführt, die gegen das Werkstück (2) oder gegen ein mit dem Werkstück
mechanisch verbundenes Element prailt, so daß ein mechanischer Impuls auf das Werkstück übertragen
wird (Fi g. 6).
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper (48) mittels eines
Federelementes (53) am Werkstück (2) aufgehängt ist (F ig. 6).
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