DE10040277C2 - Kreuztisch zur Bereitstellung von Bewegungen in einem zweidimensionalen Koordinatensystem - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kreuztisch zur Bereitstellung von Bewegungen in einem zweidimensionalen Koordinatensystem mit einem feststehenden Grundkörper, einem unteren Laufkörper, der auf dem Grundkörper in einer ersten Richtung verschiebbar gelagert ist, einem oberen Laufkörper, der auf dem unteren Laufkörper in einer zweiten Richtung verschiebbar gelagert ist, und mit mindestens einem Antriebs­ system, welches die Verschiebung der beiden Laufkörper bewirkt.

In automatisierten Prozessen, in Meßsystemen, bei Präzisions­ anwendungen und im Zusammenhang mit anderen modernen Techno­ logien werden häufig Antriebs- und Positionierungssysteme benötigt, die sehr schnelle und/oder sehr präzise Bewegungen ermöglichen. Generell kommen dabei verschiedene Prinzipien der Realisierung des Antriebssystems zum Einsatz. Vielen Anwendungen ist jedoch gemein, daß mit erhöhten Anforderungen an Geschwindigkeit und Genauigkeit eine Vielzahl von Proble­ men bei der Realisierung der Lagerung der bewegten Teile einhergeht. Die benötigten Lager sollen ein möglichst gerin­ ges Spiel aufweisen, um die daraus resultierenden Fehler bei der Positionier- und Wiederholgenauigkeit klein zu halten. Außerdem müssen die Lager möglichst leichtgängig sein, damit die auftretenden Reibungskräfte klein sind.

Insbesondere wenn Positioniergenauigkeiten im Mikrometerbe­ reich erreicht werden sollen, ergeben sich besondere Probleme aufgrund der unterschiedlichen temperaturabhängigen Ausdeh­ nungskoeffizienten der verwendeten Materialien. Bei Tempera­ turschwankungen kann sich das im Lager vorhandene Spiel so stark ändern, daß entweder zu hohe Reibungskräfte auftreten oder im anderen Fall ein zu großes Spiel vorhanden ist, so daß die geforderte Positioniergenauigkeit nicht mehr erziel­ bar ist.

Um die temperaturbedingte Ausdehnung gering zu halten, wurde teilweise versucht, zumindest das tragende Element des Grund­ körpers aus Materialien herzustellen, die einen kleinen Ausdehnungskoeffizienten besitzen. In einzelnen Fällen wurde ein einfacher Grundkörperträger aus Gesteinsmaterial gefer­ tigt. Da die Laufkörper jedoch kompliziertere Formen aufwei­ sen, werden diese generell aus leichter zu bearbeitenden Materialien hergestellt, woraus jedoch erneut Schwierigkeiten bei der Änderung der Umgebungstemperatur resultierten.

Die bereits genannten Schwierigkeiten erhöhen sich, wenn durch einen sogenannten Kreuztisch eine zweidimensionale Bewegung realisiert werden soll. Üblicherweise besitzen solche Kreuztische zwei Laufkörper, die sich in zueinander senkrecht stehenden Richtungen bewegen. Es ist auch bekannt, die Laufkörper durch Luftlager zu lagern, um die Reibungsver­ luste gering zu halten. Wenn ein Laufkörper auf einem Luftla­ ger gleitet, ist zusätzlich eine seitliche Führung in Bewe­ gungsrichtung erforderlich. Um unerwünschte Drehmomente zu vermeiden, die insbesondere bei hohen Beschleunigungswerten auftreten können, werden die Laufkörper üblicherweise beid­ seitig gelagert. Dabei kann jedoch nur an einer Seite ein Festlager genutzt werden, während auf der anderen Seite ein gefedertes Lager erforderlich ist, um temperaturbedingte Materialausdehnungen zu kompensieren.

Ein besonderes Problem bisheriger Anwendungen von Luftlagern besteht darin, daß diese Luftlager die Aufbauhöhe des Lauf­ körpers vergrößern, so daß der Schwerpunkt des Laufkörpers nicht in der Ebene der angreifenden Antriebskraft liegt. Bei höheren Beschleunigungswerten treten dann Kippmomente und Schwingungen auf, die zu Positionierungsungenauigkeiten und zu erhöhten Belastungen der verwendeten Lager führen.

Aus der DE 68 08 097 U ist eine Kreuztischlagerung bekannt, die einen Grundkörper und zwei in verschiedenen Richtungen bewegliche, gelagerte Laufkörper besitzt. Durch die Verwen­ dung paralleler Rollenschienen ergibt sich zwar eine relativ genaue Lagerung jedoch auch ein komplizierter Aufbau mit großer Bauhöhe und daraus resultierenden Kippmomenten.

Die DE 33 47 282 A1 zeigt eine aerostatische Lagervorrich­ tung, die eine Bewegung in einer Richtung ermöglicht. Der Grundkörper und der Laufkörper bestehen aus Granit. Um den Masseschwerpunkt niedrig zu halten, ist der Laufkörper aus mehreren massiven Blöcken zusammengesetzt, die die Gesamt­ masse stark erhöhen und die Homogenität des Laufkörpers aufheben. Die temperaturabhängigen Längendifferenzen steigen dadurch wieder an und die dynamischen Eigenschaften sind für schnelle Bewegungen nicht mehr geeignet.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, einen Kreuztisch bereitzustellen, der Bewegungen in einem zweidimensionalen Koordinatensystem ermöglicht, jedoch die Nachteile des Standes der Technik überwindet, insbesondere präzisere und schnellere Bewegungen ermöglicht, wobei die Positioniergenauigkeit auch bei auftretenden Temperatur­ schwankungen aufrecht erhalten werden soll. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstel­ lung eines Kreuztisches, bei welchem durch einen möglichst flachen Aufbau der Laufkörper die Beträge von unerwünscht auftretenden Momenten möglichst klein gehalten werden.

Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß von einem Kreuztisch gelöst, bei dem sowohl der Grundkörper als auch die beiden Laufkörper aus demselben Hartgesteinmaterial bestehen und jeweils einstückig ausgebildet sind, bei dem die Lagerung zwischen dem Grundkörper und dem ersten Laufkörper sowie zwischen dem ersten und dem zweiten Laufkörper durch Luftlager gebildet ist, wobei die Luftlager Luftdüsen umfas­ sen, die in Gleitflächen der Grundköper und/oder der Laufkör­ per integriert sind.

Auf diese Weise werden alle Schwierigkeiten vermieden, die aus der Verwendung von unterschiedlichen Materialien mit unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten resultieren und die dynamischen Eigenschaften des Kreuztisches gegenüber dem Stand der Technik wesentlich verbessert.

Hartgestein besitzt einen relativ kleinen Ausdehnungskoeffi­ zienten (z. B. Granit: α ≈ 10^-6 K^-1). Aber auch diejenigen Längenausdehnungen, die sich trotz des geringen Ausdehnungs­ koeffizienten bei größeren Temperaturschwankungen einstellen können, führen nicht zu den aus dem Stand der Technik bekann­ ten Nachteilen, da sich sowohl der Grundkörper als auch die beiden Laufkörper gleichmäßig ausdehnen werden.

Mit dieser erfindungsgemäßen Lösung werden seit langer Zeit bestehende Vorurteile der Fachwelt überwunden. Bislang ging man häufig davon aus, daß die Laufkörper aufgrund ihrer Komplexität nicht aus Hartgesteinmaterial herstellbar sind.

Die bereits genannten Vorteile kommen zum Tragen, wen, wenn der Grund­ körper und die beiden Laufkörper jeweils einstückig aus dem Hartgesteinmaterial ausgebildet sind. Auf diese Weise werden Inhomogenitäten vermieden und es sind keine Verbindungsab­ schnitte zwischen einzelnen Gesteinsblöcken notwendig. Bei anderen Ausführungsformen ist es jedoch auch denkbar, daß einzelne Gesteinsabschnitte zusammengeklebt werden.

Es werden Luftlager eingesetzt die unmittelbar in den Grundkörper und/oder die Lauf­ körper integriert sind. Dies geschieht durch die Anordnung von Luftdüsen in den Gleitflächen der Laufkör­ per, die an den Seitenflächen und Unterseiten angeordnet sind. Durch die letztgenannte Maßnahme wird die Aufbauhöhe des jeweiligen Laufkörpers gering gehalten, da im Gegensatz zu aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen die Luftlager nicht als eigenständige Elemente am Laufkörper angebracht sind und über dessen Oberfläche hinausragen. Die bei Beschleunigungen auftretenden Kippmomente können damit sehr klein gehalten werden.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform sind die beiden Lauf­ körper tischförmig ausgebildet und sie werden entlang der Bewegungsrichtung zweiseitig in Festlagern gelagert

Eine zweckmäßige Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, das jedem der beiden Laufkörper ein eigenständiges Antriebs­ system zugeordnet ist. Außerdem sind vorzugsweise Meßsysteme angeordnet, mit denen die Positionen und/oder die Geschwin­ digkeiten und/oder die Beschleunigungen der Laufkörper bestimmbar sind. Zweckmäßigerweise sind die Antriebs- und Meßsysteme mit einer Steuereinheit gekoppelt, die die entsprechenden Daten auswertet und die benötigten Signale an die Antriebssysteme liefert.

Weiter Vorteile, Einzelheiten und Weiterbildungen ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigen:

Fig. 1 eine vereinfachte Ansicht von oben eines erfindungs­ gemäßen Kreuztisches;

Fig. 2 den Kreuztisch in einer vereinfachten Schnittansicht von vorn;

Fig. 3 den Kreuztisch in einer vereinfachten Schnittansicht von der Seite;

Fig. 4 den Kreuztisch in einer Ansicht von vorn mit einem ersten Meßsystem;

Fig. 5 den Kreuztisch in einer Ansicht von der Seite mit einem zweiten Meßsystem;

Fig. 6 eine geschnittene Detailansicht eines integrierten Luftlagers.

Fig. 1 zeigt einen Kreuztisch in einer vereinfachten Ansicht von oben. Dieser Kreuztisch dient der Bereitstellung von Bewegungen in einem zweidimensionalen Koordinatensystem, dessen Lage durch die in der Fig. 1 eingezeichneten x-y- Koordinaten definiert wird. Der Kreuztisch besitzt einen feststehenden Grundkörper 1, einen unteren Laufkörper 2 und einen oberen Laufkörper 3. Der Grundkörper 1, der untere Laufkörper 2 und der obere Laufkörper 3 bestehen aus demsel­ ben Hartgesteinmaterial. Diese Elemente sind jeweils einstückig aus diesem Material ausgebildet. Der untere Lauf­ körper 2 ist in x-Richtung beweglich, wobei eine seitliche Längsführung durch einen Führungsabschnitt 4 des Grundkörpers 1 gebildet wird. Am unteren Laufkörper 2 sind außerdem Stoß­ dämpfer 5 angeordnet, die beim Erreichen der Endposition in positiver bzw. negativer x-Richtung einen gedämpften Endan­ schlag ermöglichen.

Der obere Laufkörper 3 sitzt auf dem unteren Laufkörper 2 auf und ist auf diesem in y-Richtung beweglich. Auch der obere Laufkörper 3 ist seitlich in Bewegungsrichtung geführt, wobei die entsprechenden Führungsabschnitte durch den unteren Lauf­ körper 2 bereitgestellt werden. Ebenso sind weitere Stoß­ dämpfer 6 vorgesehen, die den Endanschlag bei einer Bewegung des oberen Laufkörpers 3 dämpfen.

Fig. 2 zeigt den Kreuztisch in einer geschnittenen Ansicht von vorn. Durch die Schnittdarstellung ist der monolithische Aufbau des Grundkörpers 1, des unteren Laufkörpers 2 und des oberen Laufkörpers 3 gut erkennbar. Der untere Laufkörper 2 besitzt eine tischförmige Ausgestaltung, um einerseits eine ausreichend große Nutzfläche an der Oberseite bereitzustellen und andererseits die notwendige Stabilität aufzuweisen. Der unter Laufkörper 2 ist in den Führungsabschnitten 4 des Grundkörpers 1 durch Luftlager gelagert. In unteren und seit­ lichen Gleitflächen des unteren Laufkörpers 2 sind mehrere Luftdüsen angeordnet (nicht gezeigt). Auf diese Weise werden erste untere Luftlager 7 und erste seitliche Luftlager 8 an der jeweiligen Seite des unteren Laufkörpers 2 ausgebildet.

Vorzugsweise sind außerdem Mittel bereitgestellt, mit denen eine Vakuumvorspannung der Luftlager erzeugt werden kann. Durch eine solche Vakuumvorspannung werden die vertikal wirkenden Luftlager zusätzlich zur Schwerkraftwirkung versteift.

Die beiden Seiten des unteren Laufkörpers 2, die sich in Bewegungsrichtung erstrecken, können auf diese Weise in Fest­ lagern gelagert werden, da aufgrund der verwendeten Hartge­ steinmaterialien nicht mit unterschiedlichen Längenausdehnun­ gen des Grundkörpers und des unteren Laufkörpers gerechnet werden muß.

Schematisch ist in Fig. 2 außerdem ein x-Antriebssystem 9 dargestellt, welches hier als Linearantrieb ausgebildet ist. Auf die spezielle Form des Antriebes kommt es jedoch nicht an. Der Antrieb wird hinsichtlich der gewünschten Geschwin­ digkeiten und Beschleunigungswerte, sowie der aufzubringenden Kräfte an den jeweiligen Anwendungsfall angepaßt.

Fig. 3 zeigt den Kreuztisch in einer Schnittansicht von der Seite. In dieser Darstellung ist gut erkennbar, daß der obere Laufkörper 3 in einer Weise im unteren Laufkörper 2 gelagert ist, die der Lagerung des unteren Laufkörpers 2 im Grundkör­ per 1 entspricht. In Bezug auf die Bewegungsrichtung des oberen Laufkörpers 3 (y-Richtung) sind an den Längsseiten zweite untere Luftlager 11 und zweite seitliche Luftlager 12 angeordnet. Auch hier kann die Lagerung in Festlagern erfol­ gen, da der obere Laufkörper 3 aus demselben Material besteht, wie der untere Laufkörper 2 und der Grundkörper 1.

Der obere Laufkörper 3 ist ebenfalls tischförmig ausgestal­ tet, um an seiner Oberseite eine Nutzfläche bereitzustellen und den statischen Anforderungen zu genügen. Auf der Ober­ seite des oberen Laufkörpers 3 kann beispielsweise ein Werk­ stück positioniert werden, welches bei der Bearbeitung in verschiedene Positionen bewegt werden soll. Dem Antrieb des oberen Laufkörpers 3 dient bei der dargestellten Ausführungs­ form ein eigenständiges y-Antriebssystem 13.

Bei der Festlegung des möglichen (maximalen) Verfahrweges der beiden Laufkörper wirkt sich die Nutzung der Vakuumvorspan­ nung in Verbindung mit den Luftlagern positiv aus. Dadurch kann nämlich der Schwerpunkt aus der Lagerung hinaus bewegt werden, da die in einem solchen Fall auftretenden Kippmomente durch die Vakuumvorspannung kompensiert werden.

Fig. 4 zeigt den Kreuztisch nochmals in einer Ansicht von vorn. Es ist zweckmäßig, ein erstes Meßsystem 15 anzuordnen, mit welchem die Bewegung bzw. die Position des unteren Lauf­ körpers 2 überwacht werden kann. Das Meßsystem muß möglichst nahe am Antriebssystem angeordnet werden, um Regelungspro­ bleme zu vermeiden.

Fig. 5 zeigt den Kreuztisch in einer Ansicht von der Seite. In dieser Darstellung ist ein zweites Meßsystem 16 erkennbar, welches die Bewegung bzw. die Position des oberen Laufkörpers überwacht. Weiterhin ist schematisch dargestellt, auf welche Weise eine Energiezufuhr zu dem unteren Laufkörper 2 und dem oberen Laufkörper 3 realisiert werden kann. Beispielsweise ist eine flexible Versorgungsleitung 17 vorgesehen, die sowohl elektrische Energie bereitstellt als auch der Zufuhr der Druckluft zu den Luftlagern dient.

Fig. 6 zeigt eine geschnittene Detailansicht des unteren Laufkörpers 2, wobei die integrierten Luftlager gut erkennbar sind. Das erste untere Luftlager 7 wird durch einen Düsenein­ satz 18 und eine in diesen eingeschraubte Einschraubdüse 19 gebildet. An der Rückseite wird die Einschraubdüse mit einer Druckluftversorgungseinheit (z. B. mit einem Schlauch) verbun­ den. Zusätzliche Aufbauten sind somit nicht mehr erforder­ lich. Das Luftlager bildet sich dann unmittelbar zwischen dem unteren Laufkörper und dem Grundkörper aus. Das seitliche Luftlager 8 ist in gleicher Weise aufgebaut.

Für den Grundkörper und die beiden Laufkörper können andere Formgestaltungen gewählt werden. Entscheidend ist immer, daß diese drei Grundelemente aus demselben Hartgesteinmaterial gebildet sind, um eine hohe Präzision und Unempfindlichkeit gegenüber Temperaturschwankungen zu gewährleisten. Bei abge­ wandelten Ausführungsformen könnten auch andere Lager einge­ setzt werden.

Die erläuterte flache Bauweise, die erst durch Integration der Luftlager ermöglicht wird, reduziert die unerwünschten Kippmomente während der Beschleunigung der Laufkörper. Die bei der erläuterten Ausführungsform genutzt flächige Anord­ nung der Lager, die sich über die gesamte Länge der Führung erstrecken, erhöht die Führungsgenauigkeit gegenüber punkt­ förmigen Lagerungen. Außerdem kann durch die Integration der Luftlager in die Laufkörper auf sonst übliche Bauteile verzichtet werden, die die Steifigkeit verringern würden. Demzufolge werden die luftlagertypischen Schwingungen weitge­ hend vermieden.

Bezugszeichenliste

1

Grundkörper

2

unterer Laufkörper

3

oberer Laufkörper

4

Führungsabschnitte im Grundkörper

5

Stoßdämpfer des unteren Laufkörpers

6

Stoßdämpfer des oberen Laufkörpers

7

erste untere Luftlager

8

erste seitliche Luftlager

9

x-Antriebssystem

11

zweite untere Luftlager

12

zweite seitliche Luftlager

13

y-Antriebssystem

15

erstes Meßsystem

16

zweites Meßsystem

17

Versorgungsleitung

18

Düseneinsatz

19

Einschraubdüse

Claims (6)

1. Kreuztisch zur Bereitstellung von Bewegungen in einem zweidimensionalen Koordinatensystem (x-y) mit einem fest­ stehenden Grundkörper (1), einem unteren Laufkörper (2), der auf dem Grundkörper in einer ersten Richtung (x) verschiebbar gelagert ist, einem oberen Laufkörper (3), der auf dem unteren Laufkörper in einer zweiten Richtung (y) verschiebbar gelagert ist, und mit mindestens einem Antriebssystem (9, 13), welches die Verschiebung der beiden Laufkörper bewirkt, dadurch gekennzeichnet, daß
sowohl der Grundkörper (1) als auch die beiden Laufkör­ per (2, 3) aus demselben Hartgesteinmaterial bestehen;
der Grundkörper (1) und die beiden Laufkörper (2, 3) jeweils einstückig ausgebildet sind;
die Lagerung zwischen dem Grundkörper (1) und dem ersten Laufkörper (2) sowie zwischen dem ersten und dem zweiten Laufkörper (2, 3) durch Luftlager (7, 8, 11, 12) gebil­ det ist; und
die Luftlager (7, 8, 11, 12) Luftdüsen (18, 19) umfas­ sen, aus denen Druckluft zum Aufbau des Luftlagers austritt, wobei diese Luftdüsen in Gleitflächen der Grundköper und/oder der Laufkörper integriert sind.

2. Kreuztisch nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Laufkörper (2, 3) tischförmig ausgebildet und zweiseitig in Festlagern gelagert sind.

3. Kreuztisch nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleitflächen in Abschnitten der Unterseiten und der Seitenflächen der Laufkörper angeordnet sind, und daß die Gleitflächen der Unterseiten weiterhin Luftabsaugbereiche besitzen, wobei mit den Luftabsaugbereichen ein Vakuum erzeugt wird, welches der Vorspannung der Luftlager dient.

4. Kreuztisch nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß jedem der beiden Laufkörper (2, 3) ein eigenständiges Antriebssystem (9, 13) zugeordnet ist.

5. Kreuztisch nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein oder mehrere Meßsysteme (15, 16) vorgesehen sind, mit denen die Positionen der Laufkörper (2, 3) bestimmbar sind.

6. Kreuztisch nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Steuereinheit vorgesehen ist, welche die Antriebssysteme (9, 13) ansteuert und ggf. von den Meßsystemen (15, 16) gelieferte Daten auswertet.