DD200956A1

DD200956A1 - TWO COORDINATE DRIVE

Info

Publication number: DD200956A1
Application number: DD23197081A
Authority: DD
Inventors: Hans-Guenter Woschni; Thomas Reuter; Ralf Christoph
Original assignee: Woschni Hans Guenter; Thomas Reuter; Ralf Christoph
Priority date: 1981-07-22
Filing date: 1981-07-22
Publication date: 1983-06-22

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf einen Zweikoordinatenantrieb, insbesondere zur Grob- und Feinpositionierung von werkzeugen, Werkstuecken oder Bauteilen und Baugruppen wissenschaftlicher Geraete. Sie kann ferner angewendet werden als Stellglied in numerisch gesteuerten Werkzeugmaschinen, als Antriebselement in Industrierobotern sowie als Verstellantrieb zur Justierung zweier oder mehrerer Teile zueinander. Durch die Erfindung wird ein Antriebsmechanismus geschaffen, der auf einer hinreichend planen Flaeche in zwei Koordinaten Bewegungen mit theoretisch unbegrenztem Bewegungsbereich ausfuehren kann und sich gegenueber den bekannten Ausfuehrungsformen durch eine geringere Masse und damit eine hoehere Dynamik auszeichnet. Der Bewegungsablauf, die Schrittgroesse und die Verstellgeschwindigkeit sollen durch Frequenz, Amplitude und Impulsform der Ansteuerspannung veraenderbar sein. Erfindungsgemaess wird die Bewegung des Koerpers durch Schrittbewegungen von drei oder mehr Paar Fuessen hervorgerufen. Die Bewegung des jeweiligen Fusses wird durch mindestens drei piezoelektrische bzw. magnetostriktive Dehnelemente erzeugt, die vorzugsweise orthogonal zueinander angeordnet sind.The invention relates to a two-coordinate drive, in particular for coarse and fine positioning of tools, workpieces or components and assemblies of scientific equipment. It can also be used as an actuator in numerically controlled machine tools, as a drive element in industrial robots and as an adjustment for adjusting two or more parts to each other. By the invention, a drive mechanism is provided which can perform on a sufficiently flat surface in two coordinates movements with theoretically unlimited range of motion and is distinguished from the known embodiments by a lower mass and thus a higher dynamic range. The movement sequence, the step size and the adjustment speed should be variable by frequency, amplitude and pulse shape of the drive voltage. According to the invention, movement of the body is caused by walking movements of three or more pairs of feet. The movement of the respective foot is generated by at least three piezoelectric or magnetostrictive stretching elements, which are preferably arranged orthogonal to one another.

Description

Titel der Erfindung Zw eiko ordinat enantri eb Anwendungsgebiet der ErfindungTitle of the invention Zw eiko ordinat enantri eb Field of application of the invention

Dis Erfindung besieht sich, auf einen Zweikoordinatenantrioo,, insbesondere sur Grob- und ffeinpositionierimg von Y/erkzeugen, Werkstücken oder Bauteilen und Baugruppen wissenschaftlicher Gei'äte^ Sie kann ferner angewendet werden als Stellglied in numerisch, gesteuerten YierkzeugssaschineSj als Ab trieb sei eoient in Industrieroboters! sov^ie als Verstellantrieb sur Justierimg zweier oder saebtrerer Teile zueinander, z_o B. bei der fotolithografiscaen übertragung von Strukturen einer Maske auf ein Halbleitersubstrat, zur Herstellung dieser Masken in einem Repeat-Prozeß o_e ä*The invention is directed to a two-coordinate approach, particularly to coarse and in-situ positioning of tools, components, and assemblies of scientific instruments. It may also be used as an actuator in numerically controlled yawing machines as an output drive in industrial robots ! sov ^ ie as adjusting sur Justierimg two or saebtrerer parts to each other, for example, in the _o fotolithografiscaen transmission structures of a mask onto a semiconductor substrate for making these masks in a repeat process o _e ä *

Charakteristik der bekannten technischen LösungenCharacteristic of the known technical solutions

Für Grob-» und Peinpositionierungen werden im wissenschaftlichen Gerätebau in vielen Anwendungsfallen elektrische, gesteuerte und geregelte Rotationsraotoren eingesetzt, v^obei die Rotationsbewegung durch einen Wälzschraubtrieb in eine Translationsbewegung umgewandelt wird· Weiterain sind pneumatisch oder hydraulisch betätigte Kolben-Zylinder-Anordnungen 3ur Erzeugung einer Translationsbewegung bekannt,, Als Führungen werden im allgemeinen Rollen», Kugel- oder Gleitlager oder auch Parallelogramms eingesetzt.For coarse and fine positioning, in many applications electrical, controlled and controlled rotary rotors are used in scientific instrument manufacture, whereby the rotational movement is converted into translational motion by a rolling screw drive. Further, pneumatically or hydraulically actuated piston-cylinder arrangements are used to produce a translatory movement known "As guides in general roles," ball or plain bearings or parallelogram used.

Zur Erzielung von Verstellungen in zwei Koordinaten (Flächenantrieb) werden meist zwei Einkoordinatenantriebe orthogonal aufeinander montiert} so daß ein Antrieb den zweiten mitbewegtTo achieve adjustments in two coordinates (surface drive) are usually two Einoordinatenatentriebe orthogonally mounted on each other} so that a drive moves the second

0 c μ n\i λ η η α ... η η ο ι^ ο η0 c μ n \ i λ η η α ... η η ο ι ^ ο η

Si?Si?

(Sandwich-Antrieb)«, Diese Konstruktion führt infolge der Erhöhung der zu bewegenden Massen zu einer Verschlechterung der Dynamik des Systems«»(Sandwich drive) «, This design leads to a deterioration of the dynamics of the system due to the increase of the masses to be moved« »

Weiterhin sind Antriebssysteme bekannt, bei denen die Kontraktion bzw. Dilatation piezoelektrischer Keramiken unter dem Einfluß veränderlicher elektrischer Felder für Positionierzwecke ausgenutzt wird· Diese einfachen piezoelektrischen Elemente, bzw« in Stapeln zusammengeklebte Elemente (Dickenschwinger) oder auch Biegeelemente (Bimorph) sind aufgrund des unter vertretbaren Randbedingungen erreichbaren geringen Verstellweges im Mikrometerbereich, nur für Peinpositionierungen verwendbar (z„ B, WP 143128 DD)· Größere Verstellwege sind mit translatorischen Schrittmotoren erreichbar. Ein solcher_ä sich auf einer geschliffenen Gleitbahn peristaltisch bewegender Antrieb, wird im WP 92968 DD beschrieben. Die Schrittbewegung' wird durch alternierendes Klemmen der Enden eines aktiven Dehnelementes (s. B. Stapel piezoelektrischer Elemente) erreicht. Für Positionierungen in zwei Koordinaten ist hier ebenfalls ein Sandwich-Aufbau erforderlich, leben der Notwendigkeit der Schaffung einer hochgenauen Gleitbahn treten noch Probleme hinsichtlich der Optimierung der Klemmeinrichtung auf _β Furthermore, drive systems are known in which the contraction or dilation of piezoelectric ceramics is exploited under the influence of variable electric fields for positioning purposes · These simple piezoelectric elements, or "stuck together in stacks elements (thickness oscillator) or bending elements (bimorph) are due to the under-reasonable Marginal conditions achievable small adjustment path in the micrometer range, only for Peinpositionierungen used (z "B, WP 143128 DD) · Larger adjustment paths can be achieved with translational stepper motors. Such _ä to a ground slideway peristaltic moving drive, is described in DD 92968 WP. The step movement is achieved by alternately clamping the ends of an active expansion element (see, for example, stack of piezoelectric elements). For positioning in two co-ordinates, a sandwich construction is also required here, and the need to create a high-precision slideway still causes problems with respect to the optimization of the clamping device on _β

Ein weiterer translatorischer Schrittmotor ist in W? 125309 DD dargestellt. Dieser besteht aus einem zu verschiebenden Grundkörper, der senkrecht zu einer führungsbahn eine beliebige Anzahl von Federbeinen aufweist, die an ihrem oberen Ende eingespannt sind und deren unteres Ende in genügend Spiel bietenden Hohlräumen um ihre Längsachse abbiegbar sind, wobei der untere Fußpunkt eines jeden Federbeins auf der Führungsbahn aufsitzt und mit einem Gleithaftbelag versehen ist. Die Federbeine sind über mit beliebiger Hilfeenergie betriebenen Ansteuerelemente zeitlich hintereinander bzw. in Gruppen auch parallel ansteuerbar« Das Abbiegen der Federbeine erfolgt immer bia zu einem Anschlag, der die Unterkante des jeweiligen Hohlraumes bildet, in dem sich das Federbein befindet. Als Ansteuerelemente kommen pneumatisch oder hydraulisch, betätigte Kolben. Elektromagnet e oder auch piezoelektrische sowie magnstostriktive Elemente in Betracht.Another translational stepper motor is in W? 125309 DD shown. This consists of a base body to be moved, which has perpendicular to a guide track any number of struts, which are clamped at its upper end and the lower end in sufficient game bidding cavities are bendable about its longitudinal axis, wherein the lower foot of each shock absorber on the guideway is seated and provided with a sliding adhesive. The shock absorbers can be actuated in parallel with one another via control elements operated with any aid energy in time or in groups. "The bending of the struts always takes place bia to a stop which forms the lower edge of the respective cavity in which the shock absorber is located. The driving elements are pneumatically or hydraulically actuated pistons. Electromagnet e or else piezoelectric and magnetostrictive elements into consideration.

Um die Bewegung in zwei Koordinaten zu ermöglichen, sind solche Aasteuerelemente je?ieils zueinander senkrecht stehend anzuordnen,In order to enable the movement in two coordinates, such Aasteuerelemente jeäieils each to arrange vertically to each other,

Nachteilig bei dieser Äüox'däujug lau die iatö&oue, α»3 die Schrittgröße von der Anzahl der vorhandenen bzw«, angesteuerten Federbeine abhängt„ Außerdem muß die Ebenheit der Führungsbahn hohen Anforderungen genügen_s damit es nicht zu unterschiedlichen Auflagekräften auf die einseinen Füße kommt und die weniger belasteten Füße evtl. rutschen.A disadvantage of this Äüox'däujug lau the iatö & oue, α »3, the step size of the number of existing or," driven struts depends "In addition, the flatness of the guideway must meet high requirements _s so that it does not come to different bearing forces on the one's feet and the Slightly stressed feet may slip.

Aus dieses Grund ist der Schrittmotor nicht als Stellantrieb verwendbars so daß für hochgenaue Positionsaufgaben eine Regelung notwendig wird«For this reason, the stepper motor can not be used as an actuator so that a regulation becomes necessary for highly accurate positional tasks «

Siel der ErfindungSiel the invention

Ziel der Erfindung ist, einen Antriebsmechanismus su schaffen, der zum. Zwecke der Grob- und Peinpositionierung auf einer hinreichend ebenen Fläche in zwei Koordinaten (Fläciienantrieb) Bewegungen mit theoretisch unbegrenztem. Bewagungsbersicbi ausführen kann und sich gegenüber den bekannten Ausführungsformen durch eine geringere Masse und damit eine höhere Dynamik auszeichnet _β The aim of the invention is to provide a drive mechanism su, the to. Purpose of coarse and fine positioning on a sufficiently flat surface in two coordinates (surface drive) movements with theoretically unlimited. Bewagungsbersicbi can perform and compared to the known embodiments characterized by a lower mass and thus a higher dynamic _β

Darlegung des Wesens der ErfindungExplanation of the essence of the invention

Ausgehend vom Schrittmotor nach WP 125309 DD liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, Bewegungen von Körpern auf einer hinreichend planen Fläche in zwei Koordinaten mit theoretisch unbegrenztem Bewegungsbereich zum 2Swecke der Verstellung, Justierung oder Positionierung zu erreichen* Der Bewegungsablauf, die Schrittgröße und die Yerstellgeschwindigkeit sollen durch Frequenz, Amplitude und Impulsform der Ansteuerspannung verändert werden können«, Der neue Antrieb ist so auszubilden, daß die Steifigkeit des Systems höher als beim Antrieb nach. WP 125309 DD ist» Erfindungsgemäß wird eine translatorische Bewegung in zwei Koordinaten durch Schrittbewegungen von vorzugsweise drei oder mehr Paaren von Füßen auf einer hinreichend planen Fläche hervorgerufen, wobei die Füße der jeweiligen Paare dicht nebenein-Starting from the stepping motor according to WP 125309 DD, the invention is based on the object, movements of bodies on a sufficiently flat surface in two coordinates with theoretically unlimited range of motion for 2Swecke the adjustment, adjustment or positioning to achieve * The movement, the step size and Yerstellgeschwindigkeit to Frequency, amplitude and pulse shape of the drive voltage can be changed. The new drive must be designed in such a way that the rigidity of the system is higher than that of the drive. WP 125309 DD is »According to the invention, a translatory movement in two coordinates is caused by stepping movements of preferably three or more pairs of feet on a sufficiently flat surface, the feet of the respective pairs being closely adjacent to one another.

ander angeordnet sind» Die Bewegung des jeweiligen Fußes wird durch mindestens drei Dehnelemente erzeugt, die vorzugsweise orthogonal zueinander angeordnet sind. Die Dehnelemente können vorzugsweise, durch piezoelektrische bzw* magnet03triktive Elemente realisiert werden, die durch Variation der jeweiligen Ansteuerenergieform eine Längenänderung hervorrufen .·The movement of the respective foot is generated by at least three expansion elements, which are preferably arranged orthogonal to each other. The expansion elements can preferably be realized by piezoelectric or * magneto-trictive elements, which cause a change in length by varying the respective driving energy shape.

Jeweils eines der drei Dehnelemente ist senkrecht zur planen Fläche angordnet, wobei das untere Ende fest mit dem jeweiligen Fuß und das obere Ende fest mit dem zu bewegenden Körper (z· B, einer Platte) verbunden ist» Für diese Dehnelemente kommen piezoelektrische oder magnetostriktive Elemente mit rechteckigem Querschnitt zum Einsatz, wobei die Querschnitts·™ fläche im Y/inkel von 45° zu den Auslenkungsrichtungen. liegt ₃ .... Die beiden anderen Dehneleinente sind parallel zur Fläche angeordnet _s wobei das eine Ende fest mit dem jeweiligen Fuß und das andere Ende über einen Auslegearm fest mit dem zu bewegenden Körper verbunden ist»In each case one of the three expansion elements is angordnet perpendicular to the plane surface, wherein the lower end fixed to the respective foot and the upper end fixed to the body to be moved (z · B, a plate) is connected »These stretching elements are piezoelectric or magnetostrictive elements with rectangular cross-section for use, with the cross-sectional area in the Y / inkel of 45 ° to the deflection directions. is ₃ .... The two other Dehneleinente are arranged parallel to the surface _s with one end firmly connected to the respective foot and the other end is connected via a boom fixed to the body to be moved »

Die Erzeugung von Schrittbeivegungen des erfindungsgemäßen Zweikoordinatenantriebes erfolgt in der Art, daß gleichseitig bei allen Paaren von Füßen jeweils durch entsprechende Anregung einer der beiden Füße eines jeden Paares von der planen Fläche abhebt und der andere in Haftreibungskontakt mit der Fläche verbleibt. Die horizontal angeordneten Dehneiemente werden derart angeregt, daß es zu einer Verschiebung des zu bewegenden Körpers in die gewünschte Richtung kommt_β Der zweite Teil des Schrittes erfolgt durch entsprechende Ansteuerung der anderen Füße der .Paare, Es entsteht eine Art Schrittbewegung mit wechselseitigem Anheben und Vorwärtsbewegen der Füße*The generation of step movements of the two-coordinate drive according to the invention takes place in the way that equilibrium stands out on each pair of feet each by appropriate excitation of one of the two feet of each pair of the flat surface and the other remains in static contact with the surface. The horizontally arranged Dehneiemente be excited so that it comes to a shift of the body to be moved in the desired direction _β The second part of the step is carried out by appropriate control of the other feet of .Pairs, It creates a kind of stepping movement with mutual lifting and advancing the feet *

Die mit dem Zweikoordinatenantrieb möglichen Verstellwege sind theoretisch unbegrenzt und werden praktisch nur von den Abmessungen der planen Fläche bestimmt«The adjustment paths possible with the two-coordinate drive are theoretically unlimited and are practically determined only by the dimensions of the plane surface. «

Gegenüber der herkömmlichen Sandwich-Bauweise besitzt dieser Antrieb wegen Fortfalls von Zwischenelementen und Führungen bei Verwendung von piezoelektrischen Elementen eine geringere MasseβCompared to the conventional sandwich construction, this drive has a smaller Masseβ due to the elimination of intermediate elements and guides when using piezoelectric elements

Der Bewegungsablauf j die Schrittgröße und die Positioniergeschwindigkeit können duroh Variation der Frequenz, Amplitude und Form der Ansteuerung verändert werden* Durch entsprechendeThe sequence of movements j the step size and the positioning speed can be changed by varying the frequency, amplitude and shape of the control

Ansteuerung kann außerdem, eine Drehbewegung erzeugt bzw* vermieden werden und beliebige Bewegungsrichtungen, d₃ h« nicht nur orthogonale Be?iegungen_s realisiert Y^erden* Zwischen den Füßen und der planen Fläche besteht nur ein Haft- oder Gleitreibungskontakte Die Reibung kann durch zusätzliche Kräfte (z, B_e Federspannung ₉ elektrostatische oder elektromagnetische Kräfte) und durch spezielle Reibbeläge unterstützt werden«Actuation can also be generated or avoided * a rotation and arbitrary directions of movement, d ₃ h «not only orthogonal Be siegungen _s realized Y ^ erden * Between the feet and the flat surface is only an adhesive or Gleitreibungskontakte The friction can be increased by additional forces (z, B _e spring tension ₉ electrostatic or electromagnetic forces) and supported by special friction linings "

Ausführungsbeispielembodiment

Die Erfindung soll an Hand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert werden«The invention will be explained with reference to an embodiment in more detail «

Das Ausführungsbeispiel eines piezoelektrischen Zweikoordinatenantriebes besteht aus drei Antriebselamenten mit je einem Fußpaar_β Bin Antriebselement ist in der Zeichnung -dargestellt· Die Dehnelemente 1 bis G werden durch piezoelektrische Elemente ("Längsschwinger¹¹) realisiert* Die vertikal angeordneten Dehnelemente sind fest mit den Füßen 7; 8 und dem. zu bewegen» den Körper 10 verbunden» Die horizontal angeordneten Dehnelemente Ί; 2; 4 j 5 sind fest mit den Füßen 7; 8 und über Auslegearme 9«1 bis 9,4 nut dem zu bewegenden Körper 10 verbunden« 'Zur Erzeugung einer Translationsbewegung.in z_e B₆ y-Richtung wird zunächst Element 3 niit einer positiven Spannimg beaufschlagt₉ was bei negativem do*-Modul eine Kontraktion des piezoelektrischen Elements und damit ein Anheben des Fußes 8 von der planen Fläche 11 bewirkt* Danach werden die Elemente 1 lind 4 angeregt₅ was zu einer Verschiebung des Fußes 8 in y-Richtung führt« Der Fuß 7 verbleibt in Haftreibungskontakt mit der Fläche 11, Das Abschalten der Spannung an Element 3 und gleichzeitige Zuschalten einer Spannung an Element 6 bewirkt ein Absenken des Fußes 8 auf die Fläche 11 und ein Anheben des Fußes 7* Infolge des Haftreibungskontaktes zwischen dem Fuß 7 und der Fläche 11 kommt es nach Abschalten der Elemente 1 und 4 zu einer weiteren Verschiebung der Platte 10 in y-Richtung« lach Abschalten von Element 6 wird der Grundsustand wieder erreicht bei einer Versetzung der Platte 10 in y-Richtung um die Summe der Kontraktionswege der Elemente 1 und 4*The exemplary embodiment of a piezoelectric two-coordinate drive consists of three drive elements each with a pair of feet _β Bin drive element is shown in the drawing-the expansion elements 1 to G are realized by piezoelectric elements ("longitudinal oscillator ¹¹ ) * The vertically arranged expansion elements are fixed to the feet 7; The horizontally arranged expansion elements Ί; 2; 4 j 5 are fixedly connected to the feet 7; 8 and to the body 10 to be moved via extension arms 9 "1 to 9.4. to produce a Translationsbewegung.in z _e B ₆ y-direction is first element 3 NIIT a positive Spannimg subjected ₉ which is a contraction of the piezoelectric element and thus a raising of the foot 8 of the flat surface 11 causes with negative do * * module Afterwards the elements 1 are 4 excited ₅ which leads to a displacement of the foot 8 in the y-direction «The foot 7 remains in static friction contact with the surface 11, the switching off of the voltage to element 3 and simultaneous connection of a voltage to element 6 causes a lowering of the foot 8 on the surface 11 and a lifting of the foot 7 * Due to the static contact between the foot 7 and the surface 11 comes After switching off the elements 1 and 4 to a further displacement of the plate 10 in the y-direction "lach switching off element 6, the basic state is again achieved with a displacement of the plate 10 in the y-direction by the sum of the contraction paths of the elements 1 and 4 *

Bewegungen in x-Richtung können analog zur y-Richtung unter Einbeziehung der Elemente 2 und 5 statt der Elemente 1 und 4 erzeugt werden» Ebenfalls sind Bewegungen in beliebige Richtungen auf der Fläche 11 bei entsprechender Ansteuerung aller Elemente 1-6 möglich. Die Biegesteifigkeit der Elemente Ί; 2; 4; 5 erhöhen die Federsteifigkeit in der x-y-Ebene, verringern jedoch gleichseitig etwas die maximale Schriftgröße·Movements in the x-direction can be generated analogously to the y-direction with the inclusion of the elements 2 and 5 instead of the elements 1 and 4. »Also movements in any direction on the surface 11 with appropriate control of all elements 1-6 are possible. The bending stiffness of the elements Ί; 2; 4; 5 increase the spring stiffness in the x-y plane, but at the same time slightly reduce the maximum font size ·

Claims

Erfindungsanspruc fa.

1 _β two-coordinate drive for generating movements of a body on a sufficiently flat surface, with a plurality of perpendicular to the surface arranged Debneleraenten, which are attached at the upper end to the body to be moved and at its lower end each have a foot, and arranged two horizontally , perpendicular to each other, the deflection of the vertically disposed expansion elements in the coordinate directions causing expansion elements _s characterized in that the feet are arranged in pairs jj belonging to a pair of feet 7; 8 standing close to each other, the expansion of the feet causing expansion elements · 1; 2 and 4; 5 fixed at one end to the respective foot 7, and at the other end by a respective extension arm 9, 9, 2, and 9, 3; 9 <> 4 are firmly connected to the moving body 10,

2 » Two-coordinate drive to. Item 1, characterized in that _s as vertically arranged expansion elements 3; 6 piezoelectric or magnetostrictive elements are used with a rectangular cross-section, wherein the cross-sectional area at an angle of 45 ° to the deflection directions.

3 * two-coordinate drive according to items 1 and 2, dadtirch characterized in that the body to be moved 10 with three pairs

Feet is connected to the vertices of an equilateral. Triangle form »

4 «Two-coordinate drive according to items 1 to 3, characterized in that the feet are provided with friction linings«

5 * two-coordinate drive according to item 1 to 4, characterized in that the frictional contact between the feet and the flat surface is supported by electrostatic or magnetic forces.

6 "two-coordinate drive according to point 1 to 5 _S characterized marked * that acts on the body 10 a frictional contact reinforcing force acts«

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