DE2416215C3 - Vorrichtung zur Lageänderung eines auf einer Gleitfläche befindlichen Werkstückes - Google Patents

Vorrichtung zur Lageänderung eines auf einer Gleitfläche befindlichen Werkstückes

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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 (DE-PS 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 notwendig, daß das Messer Einsiellmöglichkeiten 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 rollen, 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.
μ 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 auch mit einem elektrischen Motor versehen sein. Diese Vorrichtung benötigt jedoch Wechselgetriebe, welche sehr teuer sind, insbesondere dann, wenn hohe Genauigkeiten bei der Lageverändening erzielt werden sollen.
Aus der eingangs erwähnten deutschen Patentschrift 11 06 581 ist es bekannt, bei einer Werkzeugmaschine einen verschiebbaren Maschinenteil zwischen zwei Hämmern aufzunehmen, von denen der eine Hammer zur gleitenden Verschiebung des Maschinenteils steuerbar isL Die beiden Hammer 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 Aufwa.id 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 aii 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 mechanische 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.
In den F i g. 1 und 2 ist eine Gleitfläche 1, auf welcher ein Werkstück 2 verschoben werden kann, gezeigt. Ein Elektromagnet 3 weist Magnetpole 4 auf. Auf einem Führungsdübel 5, der rriit einem Anschlag 6 versehen ist, ist ein Magnetanker 7 gleitend gelagert. An der Befestigungsstelle des Führungsdübels 5 am Elektromagneten 3 ist ein erstes Federelement 8 angeordnet. Desgleichen ist am Ansch'ag 6 ein zweites Federelement 9 angeordnet.
In der F i g. 3 ist mit 10 ein Fuhrungsdübel bezeichnet, an welchem 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 F i g. 4 ist mit 18 ein Führungsdübel bezeichnet, an welchem ein Magnetgehäuse 19 gleitend gelagert ist.
ίο 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, 3Ϊ, 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 Wsnd 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
so Spannungsquelle, die in der Figur nicht im einzelnen dargestellt ist, geliefert. Hierdurch wird eine Anzugswirkung auf den Magne.'anker 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 Künstle stoff, bestehen.
Gemäß einem wese-itlichen 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 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 bedeute!, daß das Werkstück irr: 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 IO-5 bis tO-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 w> 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 Spannungsimpuisen gelegt. Nach dem Aufprall des Magnetankers gegen die Magnetpole 13 wird die Rückwärtsbewegung des Magnetankers vom Federelement 17 aufgefangen. Bei der Verschie bung des Werkstückes in entgegengesetzter Richtung wird der Elektromagnet 14 veFwendet, an den dann eir Spannungsimpuls oder eine Serie von Spannungsimpul sen gelegt wird. Nach dem Aufprall des Magnetanken auf die Magnetpole 15 wird die Rückwärtsbewegung des Magnetankers von dem Federelement 16 aufgefan gen.
Die Vorrichtung in der F i g. 4 arbeitet entsprechend Wenn das Werkstück in Richtung des Pfeiles verscho ben werden soll, wird an den ersten Elektromagneten 2( ein Spannungsimpuls gelegt. Die Magnetpole 21 und da; Magnetgehäuse 19 werden dann gegen den erster 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 mi einem Spannungsimpuls beaufschlagt.
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beliebigen Punkt in einem angenommenen Koordina tensystem auf der Gleitfläche angeordnet werden kann Für diesen Fall kann die Vorrichtung gemäß dei Erfindung vorwärts und rückwärts entlang zweiei senkrecht aufeinanderstehender Achsen verschober werden. Ein Werkstück mit Parallelepiped-Form kanr dann an vier Seiten mit Vorrichtungen gemäß der Fig. 1 oder 2 oder an zwei senkrecht zueinandei liegende Seiten mit Vorrichtungen gemäß den Fig. 1 oder 4 versehen werden.
Die Vorrichtung in der Fig. 5 ist ebenfalls für eint derartige Lageveränderung verwendbar. Mit diesel Vorrichtung kann man entlang zweier senkrecht aufeinanderstehender Achsen Hin- und Herbewegungen vollführen, wobei für alle Lageveränderungen eir und derselbe Magnetanker, der eine Kugelforrr aufweist, verwendet wird. Bei einer Lageveränderung ir Richtung des Pfeiles wird an den Elektromagneten 31 ein Spannungsimpuls gelegt, wobei der Magnetanker 4i gegen die Magnetpole 35 und 36 rollt. Der Magnetankei stößt gegen den Magnetpol 35 mit einem bestimmter Aufprall. Dieser wird als mechanischer Impuls auf das Werkstück übertragen. Nach dem Aufprall wird dei 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 Elektromagnete 31, 32, 33, 34 einen Spannungsimpuls liefert, kann das Werkstück in eine beliebige Rictung 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 48 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 Herrichtune entlang zweier
senkrechter Achsen möglich ist.
Das piezoelektrische Kleinem bei der Ausführungsforni in der [ i g. b kann auch mil einer Spannungsquclle verbunden sein, welche eine Serie von Spannungsimpul· sen liefert. Hierbei kann man mehrere l.ageveründeningsschriite leicht cr/ielen. Der I requcnzbcreich. welcher bevorzugt bei diesem Ausfiihrungsbcispicl zur Anwendung kommt, liegt bei IO 000 bis 50 000 Hz.
Ks sei darauf hingewiesen, daß eine Verschiebung entlang eines Kreisbogens, d.h. Drehbewegungen und Weiidcbcwegungen bei der Erfindung, möglich sind, so dall diese nicht außerhalb des Schutzumfanges liegen. Die Vorrichtungen gemäß der I'.rfindung können dann
entlang eines llmlanges bzw. einer Peripherie um einen Drehpunkt mit vertikalen oder horizontalen Achsen angeordnet sein. Wenn beispielsweise in der Vorrichtung gemäß der K i g. 5 die obere Oberfläche 54 eine («leitfläche 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 gcniiiU der Krfindung versehen. Hs kann dann eine l.ageveränderung zu einem beliebigen Punkt innerhalb eines angenommenen Koordinatensystems und auch unter einem beliebigen Winkel durchgeführt werden.
Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

Patentansprüche:
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, so daß die Impulse durch Aufprall des Magnetankers auf den Elektromagneten bzw. umgekehrt auf das Werkstück M 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 '5, 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 ^, 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 verbuudenes Element prallt, so daß ein mechanischer Impuls auf das Werkstück übertragen wird (F ig. 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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