DE102004020990B4

DE102004020990B4 - Vorrichtung und Verfahren zur Erzeugung von Mikrostrukturen

Info

Publication number: DE102004020990B4
Application number: DE102004020990A
Authority: DE
Inventors: Heinrich Dr. Ostendarp
Original assignee: Schott AG
Current assignee: Schott AG
Priority date: 2004-04-23
Filing date: 2004-04-23
Publication date: 2008-05-21
Anticipated expiration: 2024-04-24
Also published as: ATE427184T1; ATE400402T1; DE502005005644D1; DE502005006144D1; TW200534949A; DE502005007003D1; DE202004011815U1; CN1946514A; CN100592959C; ATE416061T1; DE102004020990A1; DE502005004658D1; ATE410261T1

Abstract

Vorrichtung zur Erzeugung von Mikrostrukturen, mit einer um ihre Längsachse (25) rotierend antreibbaren Spindel (12), an der eine Aufnahme zum Einspannen eines Werkstückes (16) vorgesehen ist, mit einem Aktor (30), der einen schnellen Antrieb (36) zur Erzeugung einer schnellen Bewegung eines Werkzeugs (32) in einer zur Werkstückoberfläche im Wesentlichen senkrechten Richtung aufweist, wobei der Aktor (30) mittels eines weiteren Antriebes (24) zur Erzeugung eines linearen Vorschubes in einer ersten Richtung (x) entlang einer zu bearbeitenden Werkstückoberfläche positionierbar ist, wobei der schnelle Antrieb (36) mit dem Werkzeug (32) über eine Führungseinrichtung (38) gekoppelt ist, die eine Zustellung des Werkzeugs (32) entgegen einer Rückstellkraft erlaubt, dadurch gekennzeichnet, dass der schnelle Antrieb (36) zur Erzeugung einer geradlinigen Bewegung des Werkzeugs (32) in Axialrichtung des schnellen Antriebs (36) ausgebildet ist, und dass die Führungseinrichtung (38) in Axialrichtung (41) des schnellen Antriebs (36) nachgiebig ist, jedoch in einer Ebene senkrecht dazu eine hohe Steifigkeit...

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung von Mikrostrukturen, mit einer um ihre Längsachse rotierend antreibbaren Spindel, an der eine Aufnahme zum Einspannen eines Werkstückes vorgesehen ist, mit einem Aktor, der einen schnellen Antrieb zur Erzeugung einer schnellen Bewegung eines Werkzeugs in einer zur Werkstückoberfläche im Wesentlichen senkrechten Richtung aufweist, wobei der Aktor mittels eines weiteren Antriebes zur Erzeugung eines linearen Vorschubes in einer ersten Richtung entlang einer zu bearbeitenden Werkstückoberfläche positionierbar ist, wobei der schnelle Antrieb mit dem Werkzeug über eine Führungseinrichtung gekoppelt ist, die eine Zustellung des Werkzeugs entgegen einer Rückstellkraft erlaubt.
Die Erfindung betrifft ferner einen für eine derartige Vorrichtung geeigneten Aktor.
Die Erfindung betrifft schließlich ein Verfahren zum Erzeugen einer mikrostrukturierten Oberfläche auf einem von einer Spindel rotierend angetriebenen Werkstück unter Verwendung eines von einem Aktor angetriebenen Werkzeugs, das entlang der Werkstückoberfläche mittels eines Antriebs linear positionierbar ist und senkrecht dazu in Richtung auf die Werkstückoberfläche mittels des Aktors bewegbar ist.
Eine weitere Vorrichtung und ein weiteres Verfahren ähnlicher Art sind aus der EP 0 439 425 B1 bekannt.
Die bekannte Vorrichtung und das bekannte Verfahren werden zum Herstellen von Kontaktlinsen durch ein Drehverfahren verwendet. Hiernach wird ein Rohling für eine zu bearbeitende Kontaktlinse an einer Spindel befestigt. Das von der Spindel rotierend angetriebene Werkstück kann mittels eines Drehwerkzeuges bearbeitet werden, das mittels eines piezoelektrischen Antriebs positioniert wird. Die Drehmaschine besitzt einen säulenartigen Drehsupport, der um eine Schwenkachse schwenkbar gelagert ist. An dem Drehsupport ist eine Schlittenführung befestigt. An der Schlittenführung ist ein Werkzeugschlitten linear und in radialer Richtung zur Schwenkachse des Drehsupports bewegbar geführt. Am Werkzeugschlitten ist ein Werkzeughalter für ein Drehwerkzeug vorzugsweise in Form eines Drehdiamanten gelagert. Der Werkzeugschlitten kann zur Grobeinstellung des Drehwerkzeugs um die Schwenkachse des Drehsupports mit Hilfe eines Motorantriebs entlang der Schlittenführung bewegt werden. Zur Feinpositionierung des Drehwerkzeuges ist ein piezoelektrischer Antrieb vorgesehen, der aus zwei Piezotranslatoreinrichtungen bestehen kann. Während eine erste Piezotranslatoreinrichtung eine Bewegung in Richtung der Schlittenführung ermöglicht, ist eine zweite Piezotranslatoreinrichtung für eine dazu senkrechte Bewegung ausgebildet. Hierbei können die Stellbewegungen der Piezotranslatoreinrichtungen in Abhängigkeit vom Rotationswinkel der Spindel um die Spindelachse gesteuert werden.
Auf diese Weise ist eine hochpräzise Oberflächenbearbeitung von Linsen mittels eines Diamantdrehmeißels ermöglicht, wobei auch nicht rotationssymmetrische Oberflächen erzeugt werden können.
Ähnliche Vorrichtungen zur Erzeugung von nicht-rotationssymmetrischen Oberflächen durch eine Drehbearbeitung mit Hilfe eines piezoelektrischen Antriebs sind etwa aus der US 5 467 675 oder aus der GB 2 314 452 A bekannt.
Mit den bekannten Vorrichtungen und den bekannten Verfahren können zwar Feinstruktur-Oberflächenbearbeitungen mit Hilfe von Diamantwerkzeugen durchgeführt werden, jedoch sind diese Vorrichtungen und Verfahren aufgrund unzureichender dynamischer Eigenschaften nicht geeignet, um sehr harte, metallische Werkstoffe präzise zu bearbeiten. Derartige Werkstoffe werden beispielsweise als Formenwerkstoffe für die Herstellung von Linsen durch Heißpressen benötigt. Es kann sich hierbei beispielsweise um Hartmetall-Werkstoffe handeln. In derartige Formen müssen beispielsweise zur Herstellung von Linsen für Beleuchtungszwecke, die in sogenannten Poly-Ellipsoid-Scheinwerfern (PES-Scheinwerfern) eingesetzt werden, ganz bestimmte Mikrostrukturen eingebracht werden, die bei der Formgebung durch Heißpressen auf die betreffenden Linsen übertragen werden. Diese Mikro strukturen wirken bei den hergestellten Linsen als mikrooptische Komponenten, um eine bestimmte vorgegebene Lichtverteilungscharakteristik im Scheinwerfer einzuhalten.
Die Herstellung derartiger Formen, die etwa aus Hartmetall oder aus Grauguss bestehen können, ist in der beabsichtigten Form bislang nur mit geometrisch unbestimmten Verfahren möglich. Hierzu werden die betreffenden Formen zunächst in makroskopischer Form der betreffenden Linsen durch Drehen bearbeitet. Anschließend erfolgt ggf. ein Polieren der Formoberfläche. Die Bereiche der Form, die zur Erzeugung von Streuzentren auf den damit herzustellenden Linsen vorgesehen sind, werden anschließend beispielsweise durch eine Strahlbehandlung mit Korund in mehreren Arbeitsgängen erzeugt, wobei Abdeckblenden für diejenigen Bereiche verwendet werden, die nicht in dieser Weise mikrostrukturiert werden sollen. Nach der Strahlbearbeitung erfolgt zum Teil noch eine flächige Nachbehandlung. Zur Herstellung einer derartigen Form sind daher zahlreiche manuelle Arbeitsschritte notwendig, was eine sehr zeitaufwändige und teure Bearbeitung bedeutet, um die gewünschte Oberflächenstruktur zu erzeugen. Zudem beinhaltet eine derartige Arbeitsfolge eine Vielzahl von Fehlermöglichkeiten, die eine reproduzierbare Einstellung einer speziellen Lichtverteilung nachteilig beeinflussen.
Die eingangs erwähnten vorbekannten Vorrichtungen mit Piezoantrieben sind für eine derartige Formgebung nicht geeignet, da sie hierzu nicht die notwendige mechanische Stabilität und die erforderlichen dynamischen Eigenschaften aufweisen, um bei der Bearbeitung harter metallischer Werkstoffe mit den erforderlichen hohen Schnittgeschwindigkeiten präzise arbeiten zu können.
Zwar könnte mit den bekannten Vorrichtungen ggf. lagegeregelt gearbeitet werden, jedoch ist dies naturgemäß nur mit einem ausreichenden Abstand bis zur ersten Resonanzfrequenz des jeweiligen Systems möglich, weshalb mit den bekannten Systemen ein Arbeiten bis maximal etwa 1.000 Hz ermöglicht ist. Die hiermit erreichbaren Schnittgeschwindigkeiten reichen jedoch nicht aus, um bei den vorstehend erwähnten Werkstoffen eine saubere Bearbeitung mit ausreichender Oberflächengüte zu erzielen, insbesondere wenn nicht-rotationssymmetrische Oberflächenstrukturen der vorstehend erwähnten Art hergestellt werden sollen.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Erzeugung von Mikrostrukturen zu schaffen, womit auch eine Bearbeitung von harten metallischen Werkstoffen, wie etwa Hartmetallen und Grauguss, mit hohen Schnittgeschwindigkeiten ermöglicht wird und gleichzeitig nicht-rotationssymmetrische Mikrostrukturen erreichbar sind. Hierbei soll insbesondere die Herstellung von Formen für die Herstellung von Linsen durch Heißpressen ermöglicht werden, die als Linsen für PES-Scheinwerfer geeignet sind und mit Mikrostreulinsenstrukturen versehen sind.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 gelöst.
Die Aufgabe der Erfindung wird auf diese Weise vollkommen gelöst.
Durch eine derartige Kopplung eines schnellen Antriebs mit einer speziell ausgestalteten Führungseinrichtung, die in einer zur Bewegungsrichtung des schnellen Antriebs senkrechten Ebene allseits eine hohe Steifigkeit aufweist, kann ein Aktorgeführtes System zur Bewegung eines Drehwerkzeuges geschaffen werden, das eine ausreichend hohe Resonanzfrequenz verbunden mit einer hohen dynamischen Steifigkeit besitzt, um auch eine Bearbeitung von harten Werkstoffen, wie etwa Hartmetallen oder Grauguss, mit einer ausreichend hohen Schnittgeschwindigkeit zu ermöglichen. Dabei werden Schwingungen vermieden, die sonst leicht bei der Bearbeitung von harten Werkstoffen, wie etwa Grauguss, entstehen können und die die Oberflächenqualität beeinträchtigen würden.
Bei dem schnellen Antrieb handelt es sich vorzugsweise um einen Piezoantrieb.
Daneben sind auch andere Ausführungsform für den schnellen Antrieb denkbar, wie etwa ein hydraulischer Antrieb. Unter einem schnellen Antrieb im Sinne dieser Anmeldung wird ein Antrieb verstanden, der eine schnelle gesteuerte Bewegung in Axialrichtung ausführen kann, in einer dazu senkrechten Ebene jedoch keine gesteuerte Bewegung ausführen kann und nur sehr geringe Kräfte aufnehmen kann. Unter „schnell" ist in diesem Zusammenhang zu verstehen, das der Antrieb bei Ansteuerung mit einem geeigneten Steuersignal eine Bewegung mit einer Frequenz von mindestens 500 Hz oder mehr ausführen kann.
In bevorzugter Weiterbildung der Erfindung weist die Führungseinrichtung in einer Ebene senkrecht zur Zustellrichtung der Führungseinrichtung eine statische Steifigkeit von mindestens 50 N/μm, vorzugsweise von mindestens 100 N/μm, auf.
Mit einer derartigen Vorrichtung können insbesondere Formen zum Heißpressen von Linsen für PES-Scheinwerfer hergestellt werden, die an ihrer Oberfläche mit Mikrolinsenstrukturen versehen sind bzw. „gefrostet" sind. Hiermit lassen sich bei der Bearbeitung von Grauguss oder Hartmetallen Schnittgeschwindigkeiten in der Größenordnung von 60 Meter pro Minute und mehr erzielen. Dies reicht aus, um eine saubere Bearbeitung der nicht-rotationssymmetrischen Oberflächen in einer annehmbaren Zeit zu gewährleisten. Es können hierbei konventionelle Schneidplatten-Einsätze verwendet werden.
In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung weist die Führungseinrichtung einen Stößel auf, der an ersten und zweiten Federelementen beweglich gehalten ist, wobei die Federelemente in Radialrichtung des Stößels weitgehend unnachgiebig sind, jedoch senkrecht dazu in Richtung der Stößelachse eine Auslenkung gegen die Federkraft der Federelemente erlauben.
In vorteilhafter Weiterbildung dieser Ausführung sind hierzu die Federelemente als Blattfedern ausgebildet, die an ihren beiden längsseitigen Enden an Haltern eingespannt sind und quer dazu beweglich sind.
In zweckmäßiger Weiterbildung dieser Ausführung bestehen hierbei die Federelemente aus Fühlerlehrenbändern, die miteinander gekreuzt in Radialrichtung zwischen dem Halter und dem Stößel eingespannt sind.
Alternativ hierzu ist eine Ausführung als radialsymmetrische Federelemente, etwa in Form von Tellerfedern, möglich, wobei der Stößel im Zentrum angekoppelt ist.
Durch einen derartigen Aufbau lässt sich eine ausreichende Nachgiebigkeit der Führungseinrichtung in der Bewegungsrichtung des schnellen Antriebes bei einer gleichzeitig hohen Steifigkeit in einer Ebene senkrecht dazu erzielen.
In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung ist das Werkzeug an einem ersten Ende des Stößels eingespannt, während der Stößel an seinem dem Werkzeug gegenüberliegenden zweiten Ende gegen den schnellen Antrieb vorgespannt ist.
Auf diese Weise wird die notwendige Rückstellkraft gewährleistet, gegen die der schnelle Antrieb wirkt.
In vorteilhafter Weiterbildung dieser Ausführung ist der Stößel durch einen Fluiddruck gegen den schnellen Antrieb vorgespannt.
Obwohl die Vorspannung grundsätzlich auch auf mechanische Weise, zum Beispiel durch Federn, erreicht werden könnte, wird durch diese Maßnahme die Auswirkung des Schnittkraftrauschens reduziert.
In vorteilhafter Weiterbildung dieser Ausführung ist der Stößel in einem Gehäuse gehalten, wobei der Stößel mit dem Gehäuse einen druckdicht abgeschlossenen Raum bildet, der mit einem Fluiddruck beaufschlagbar ist, wobei der Raum über eine erste mit dem Stößel verbundene Membran auf der Piezoseite und eine zweite mit dem Stößel verbundene Membran auf der Werkzeugseite in Axialrichtung nach außen hin abgedichtet ist, und wobei die erste Membran eine größere dem Fluiddruck ausgesetzte wirksame Fläche als die zweite Membran aufweist.
Die Membranen bestehen in vorteilhafter Weiterbildung dieser Ausführung aus Aluminium.
Auf diese Weise kann die Rückstellkraft für den Piezoantrieb auf einfache und zuverlässige Weise gewährleistet werden und gleichzeitig eine Auswirkung des Schnittkraftrauschens reduziert werden.
In vorteilhafter Weiterbildung dieser Ausführung weist das Gehäuse mindestens ein aus einem Sintermaterial, vorzugsweise einem Sintermetall, bestehendes Dämpfungselement auf. Das Dämpfungselement weist hierbei vorzugsweise einen Anteil einer offen Porosität auf.
Durch diese Maßnahmen können die Auswirkungen des Schnittkraftrauschens noch weiter reduziert werden.
In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung ist der Piezoantrieb an seinem dem Stößel abgewandten ersten Ende an einer Aufnahme einspannt und ist an seinem dem ersten Ende gegenüberliegenden zweiten Ende über ein Ausgleichselement, das Ausrichtungsfehler zwischen der Stößelachse und der Längsachse des Piezoantriebs kompensiert, mit dem Stößel gekoppelt.
Hierbei kann das zweite Ende des Piezoantriebs etwa über ein konvexes Element, insbesondere eine Kugel oder ein balliges Element, an einer zugeordneten Zentrierung des Stößels anliegen.
Auf diese Weise wird die Einbringung statischer und dynamischer Querkräfte in radialer Richtung, die etwa durch Ausrichtungsfehler zwischen dem Piezoantrieb und dem Stößel sowie durch Schnittkraftrauschen entstehen können, weitgehend ausgeschaltet.
Gemäß einer alternativen Ausführung der Erfindung ist der Piezoantrieb an seinem zweiten Ende durch eine Deckplatte abgeschlossen, die über eine Einschnürung mit dem Stößel gekoppelt ist.
Auf diese Weise lässt sich die Masse des Gesamtsystems noch weiter verringern und es kann gegebenenfalls eine Fügungsstelle eingespart werden, was vorteilhaft für die Dynamik des Gesamtsystems ist.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung erlaubt der Antrieb einen Vorschub in einer Richtung senkrecht zur Spindelachse, während der Aktor eine Bewegung des Werkzeugs in Richtung der Spindelachse erlaubt.
Bei dieser Ausführung erfolgt die Drehbearbeitung nach der Art des Plandrehens, während das Werkzeug mittels des Piezoantriebs weitgehend in Richtung der Spindelachse, also in z-Richtung, zugestellt wird.
Ein derartiger Aufbau ist beispielsweise zur Mikrostrukturierung von Formen für die Herstellung von Linsen für PES-Scheinwerfer geeignet.
Gemäß einer weiteren Ausführung der Erfindung erlaubt der Antrieb einen Vorschub in einer zur Spindelachse parallelen Richtung, während der Aktor eine Bewegung des Werkzeugs senkrecht dazu erlaubt.
Mit einer derartigen Anordnung kann eine Oberflächenbearbeitung des Werkstücks durch Mikrostrukturierung an der Außenoberfläche in Längsrichtung erfolgen. Hierbei wird also nach der Art des Längsdrehens gearbeitet, wobei der Aktor eine Zustellung des Werkzeugs in einer zur Spindelachse senkrecht stehenden Ebene erlaubt, also beispielsweise in x-Richtung.
Eine derartige Anordnung ist beispielsweise zur Mikrostrukturierung von tribologisch beanspruchten Flächen, wie etwa Lageroberflächen an ihrer Außenseite geeignet, um etwa die Fettaufnahme zu verbessern und so deutlich verbesserte Schmier- und Notlaufeigenschaften zu erzielen.
In zweckmäßiger Weiterbildung der Erfindung ist eine elektronische Steuerung zur Steuerung der Bewegung des Aktors vorgesehen, die die Bewegung des Aktors in Abhängigkeit von der Winkelposition des Werkstücks und der Lage des Aktors entlang der ersten Richtung relativ zum Werkstück steuert.
Auf diese Weise können nicht-rotationssymmetrische Oberflächenstrukturen mit Hilfe der piezogesteuerten Zustellbewegung des Werkzeugs erzielt werden.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist die Steuerung ein Mittel zur Transformation einer in kartesischen Koordinaten gegebenen zu erzeugenden Soll-Mikrostruktur des Werkstücks in eine koordinatentransformierte Struktur in Polarkoordinaten auf, in der die Stellwerte in Abhängigkeit von Polarkoordinaten gespeichert sind, die den Drehwinkel und den Radius enthalten.
Mit einer derartigen Koordinatentransformation kann der jeweilige Stellwert für den Aktor für den Fall des Plandrehens ermittelt werden.
Die koordinatentransformierte Struktur wird hierbei vorzugsweise in einer Look-Up-Tabelle (LUT) gespeichert, aus der die elektronische Steuerung ein Stellsignal ableitet, das einem Verstärker zur Ansteuerung des Aktors zugeführt wird.
In bevorzugter Weiterbildung dieser Ausführung weist die elektronische Steuerung Mittel zur Interpolation des dem Verstärker zugeführten Stellsignals in Abhängigkeit von Lageinkrementen des Linearvorschubes in der ersten Richtung auf.
Während in der Arbeitsrichtung des Piezoantriebs die Trägheit des mechanischen Systems eine Interpolation überflüssig macht und hierdurch automatisch eine gewisse Glättung erfolgt, ist eine Interpolation der dem Verstärker zugeführten Stellsignale in Abhängigkeit von Lageinkrementen des Linearvorschubes sinnvoll. So wird bei der Abbildung benachbarter Pixel der Mikrostruktur eine durch die lineare Stellbewegung in Radialrichtung verursachte Bildung von Riefen nach der Art von Drehriefen vermieden.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung weist der Aktor eine erste Resonanzfrequenz von mindestens 1.500 Hz, vorzugsweise von mindestens 2.000 Hz, besonders bevorzugt von mindestens 3.000 Hz, auf, wobei die Steuereinrichtung dazu ausgebildet ist, dem Aktor ein tiefpassgefiltertes oder bandpassgefiltertes Signal zuzuführen, dessen obere Grenzfrequenz unterhalb der Resonanzfrequenz des Aktors liegt.
Mit dieser Ausführung wird es ermöglicht, ohne eine Lageregelung des Aktors mit einer hohen Schnittgeschwindigkeit zu arbeiten, die derart gewählt ist, dass die Grenzfrequenz der zu erzeugenden Soll-Mikrostruktur kurz unterhalb der Resonanzfrequenz des Aktors liegt. Auf diese Weise kann mit einem offenen System ohne Lageregelung mit maximaler Schnittgeschwindigkeit gearbeitet werden, bei der noch ein ausreichender Abstand zur Resonanzfrequenz des Aktors gewahrt ist.
Die Aufgabe der Erfindung wird ferner durch einen Aktor gemäß Anspruch 25 gelöst.
Hinsichtlich des Verfahrens wird die Aufgabe der Erfindung durch ein Verfahren zur Erzeugung einer mikrostrukturierten Oberfläche auf einem von einer Spindel rotierend angetriebenen Werkstück unter Verwendung eines von einem Aktor angetriebenen Werkzeugs gelöst, das in Richtung auf die Werkstückoberfläche mittels des Aktors bewegbar ist und senkrecht dazu entlang der Werkstückoberfläche mittels eines weiteren Antriebs linear positionierbar ist, mit folgenden Schritten:

(a) Bereitstellen einer Soll-Mikrostruktur für ein zu bearbeitendes Werkstück,
(b) Transformieren der Soll-Mikrostruktur in eine Datei (Look-Up-Tabelle, LUT), die in Abhängigkeit vom Drehwinkel des Werkstücks und vom linearen Vorschubweg des Werkzeugs entlang der Werkstückoberfläche Stellpositionen in einer dazu senkrechten Arbeitsrichtung zur piezogesteuerten Stellbewegung des Werkzeugs enthält,
(c) Erstellen einer Ortsfrequenzanalyse der Soll-Mikrostruktur und Bestimmen einer maximalen Grenzfrequenz des Signals für die Stellposition in Abhängigkeit vom Drehwinkel, vom linearen Vorschub des Aktors entlang der Werkstückoberfläche und von der Schnittgeschwindigkeit,
(d) Einstellen der Schnittgeschwindigkeit zur Drehbearbeitung des Werkstücks derart, dass die maximale Grenzfrequenz der Soll-Mikrostruktur unterhalb der ersten Resonanzfrequenz des Aktors liegt,
(e) Antreiben der Spindel und eines Antriebs zur linearen Positionierung des Aktors entlang der Werkstückoberfläche und Mikrostrukturieren des Werkstücks durch Zustellen des Werkzeugs gegen die Werkstückoberfläche mittels des Aktors gemäß der aus der Look-Up-Tabelle abgeleiteten Stellwerte in Abhängigkeit von der Schnittgeschwindigkeit, vom Dreh winkel und vom Vorschubweg des Aktors entlang der Werkstückoberfläche.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird auf diese Weise sichergestellt, dass mit einer möglichst hohen Schnittgeschwindigkeit bei der Mikrostrukturierung des Werkstücks gearbeitet werden kann und der Aktor noch unterhalb seiner Resonanzfrequenz betrieben wird. Auf diese Weise kann das System bis zur maximalen Schnittgeschwindigkeit ausgenutzt werden, die durch die Resonanzfrequenz des Aktors vorgegeben ist, ohne dass hierzu eine Lageregelung notwendig ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich grundsätzlich auch zur Benutzung mit herkömmlichen Vorrichtungen zur Mikrostrukturierung von Werkstücken durch Drehbearbeitung mittels Aktorgesteuerter Werkzeuge. Vorzugsweise wird das erfindungsgemäße Verfahren jedoch in Verbindung mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung verwendet.
In vorteilhafter Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Signal für die Zustellung des Aktors tiefpassgefiltert oder bandpassgefiltert, falls die gemäß Schritt (d) einstellbare Schnittgeschwindigkeit nicht ausreichend ist.
Falls die Ortsfrequenzanalyse der zu erzeugenden Soll-Mikrostruktur ergibt, dass hierin sehr hohe Frequenzen enthalten sind, wie sie etwa bei scharfen Kantenübergängen auftreten, so wäre normalerweise die zu wählende Schnittgeschwindigkeit deutlich erniedrigt, um einen ausreichenden Abstand zur Resonanzfrequenz des Systems einzuhalten. In diesem Fall wird gemäß der vorstehend genannten Maßnahme gewährleistet, dass auch bei einer derartigen Soll-Mikrostruktur mit einer hohen Schnittgeschwindigkeit gearbeitet werden kann. Durch die vorherige Filterung des Signals wird gewissermaßen die Soll-Mikrostruktur geglättet, um zu gewährleisten, dass mit einer ausreichend hohen Schnittgeschwindigkeit gearbeitet werden kann, um beispielsweise harte Werkstoffe, wie etwa Grauguss oder Hartmetall, bearbeiten zu können.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird die Soll-Mikrostruktur des Werkstücks mittels eines Algorithmus derart erzeugt, dass sich bei der Ortsfrequenzanalyse ein tiefpassbegrenztes weißes Rauschen ergibt.
Hierbei kann die Soll-Mikrostruktur des Werkstücks durch ein mittels eines Zufallsgenerators erzeugtes Punktmuster, gefaltet mit Tiefpassfilter, vorzugsweise mit einem binomealen Filter, erzeugt werden.
Bei dieser Ausgestaltung der Mikrostruktur kann bereits bei der Erzeugung der Soll-Mikrostruktur gewährleistet werden, dass sich ein tiefpassgefiltertes Signal ergibt, das besonders geeignet ist, um kurz unterhalb der Resonanzfrequenz des Aktors arbeiten zu können.
Alternativ kann eine solche Soll-Mikrostruktur erzeugt werden, indem ein zufällig generiertes Punktmuster erzeugt wird, das in einen Frequenzraum transformiert wird, tiefpassgefiltert wird und danach in den Ortsraum zurücktransformiert wird.
Eine derartige Soll-Mikrostruktur ist besonders für die Herstellung einer Form zur Herstellung einer Linse für einen PES- Scheinwerfer durch Heißpressen geeignet, bei der an der Oberfläche der Linse eine Streu-Mikrolinsenstruktur ausgebildet werden soll.
Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren kann der Aktor vorteilhaft in Richtung der Spindelachse zugestellt werden und mittels des ersten Antriebs in einer dazu senkrechten Richtung positioniert werden.
Hiermit wird eine Bearbeitung nach der Art des Plandrehens ermöglicht.
Alternativ hierzu kann der Aktor auch mittels des ersten Antriebs parallel zur Spindelachse in z-Richtung positioniert werden und der Aktor senkrecht dazu gegen die Werkstückoberfläche zugestellt werden.
Bei dieser Ausführung wird eine Mikrostrukturierung des Werkstücks nach der Art des Längsdrehens ermöglicht.
Wie vorstehend bereits erwähnt, eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren insbesondere zur Mikrostrukturierung eines optischen Elementes, insbesondere einer Mikrolinsenstruktur oder einer diffraktiven Struktur, oder zur Herstellung einer Pressform für ein solches optisches Element.
Daneben ist das erfindungsgemäße Verfahren für zahlreiche andere Mikrostrukturierungszwecke von Werkstückoberflächen geeignet. Hierzu gehören unter anderem die Mikrostrukturierung einer tribologisch beanspruchten Fläche, insbesondere für ein Gleitlager.
Es versteht sich, dass die vorstehend erwähnten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale der Erfindung nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigen:
1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung in stark vereinfachter, schematischer Darstellung;
2 einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Aktor gemäß 1;
2a einen Ausschnitt einer gegenüber 2 abgewandelten Ausführung des erfindungsgemäßen Aktors im Bereich der Verbindung zwischen Aktor und Stößel;
3 eine perspektivische Ansicht des Aktors gemäß 2;
4 den Frequenzgang und den Phasengang des Aktors mit Werkzeug gemäß der 2 und 3;
5 eine Ausschnittsvergrößerung einer herzustellenden Soll-Mikrolinsenstruktur für die Formherstellung zur Herstellung einer Linse für einen PES-Scheinwerfer;
6 eine Wiedergabe der Soll-Mikrostruktur gemäß 5 als Pixelbild;
7 eine Ortsfrequenzanalyse der Soll-Mikrostruktur gemäß 6 entlang des Außenumfangs bei einem Radius von R = 34 mm;
8 ein Prinzipschaltbild mit der Steuerung für den Aktor; und
9 eine schematische Darstellung des Algorithmus zur Ansteuerung des Aktors.
In 1 ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung äußerst schematisch dargestellt und insgesamt mit der Ziffer 10 bezeichnet.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 handelt es sich um eine Drehmaschine, die zusätzlich mit einem Aktor 30 ausgestattet ist, um eine schnelle, piezogesteuerte Bewegung eines Werkzeugs 32 im Bezug auf ein Werkstück 16 zu ermöglichen. Die Vorrichtung 10 weist eine Spindel 12 auf, die um ihre Spindelachse 25 rotierend antreibbar ist, wie durch einen Pfeil 28 verdeutlicht ist. An der Spindel 12 ist eine Aufnahme 14 in Form eines Spannfutters zum Spannen eines Werkstücks 16 vorgesehen.
Auf einem Maschinenbett 13 der Vorrichtung 10 ist ein Antrieb 20 entlang einer sich in z-Richtung (parallel zur Spindelachse 25) erstreckenden Führung vorgesehen, mittels derer ein Werkzeugschlitten 18 in z-Richtung verfahren werden kann, wie durch den Doppelpfeil 26 angedeutet ist. Am Werkzeugschlitten 18 ist ein Antrieb 22 vorgesehen, mittels dessen ein Schlitten 24 in Vertikalrichtung (y-Richtung) verfahren werden kann, wie durch den Doppelpfeil 27 angedeutet ist. Am Schlitten 24 ist schließlich ein weiterer Antrieb vorgesehen, der ein Verfahren in Horizontalrichtung (x-Richtung quer zur Spindelachse 25) ermöglicht.
Am Schlitten 24 ist schließlich der Aktor 30 aufgenommen, mittels dessen das Werkzeug 32 zusätzlich in z-Richtung verfahrbar ist, wie durch den Doppelpfeil 34 angedeutet ist.
Zur Steuerung der Drehmaschine und des Aktors ist eine zentrale Steuerung vorgesehen, die schematisch mit der Ziffer 17 angedeutet ist. Die Winkelstellung der Spindel 12 kann mittels eines Drehgebers 31 überwacht werden.
Die Vorrichtung 10 kann nun zur Mikrostrukturierung der Oberfläche eines Werkstücks 16 derart benutzt werden, dass das Werkstück 16 mittels der Spindel 12 um die Spindelachse 25 rotierend angetrieben wird, während der Aktor 30 mittels des Schlittens 24 in x-Richtung positioniert wird und das Werkzeug 32 mittels des Aktors 30 in Abhängigkeit von der über den Drehgeber 31 erfassten Winkelposition des Werkstückes 16 und von der Ortskoordinate des Aktors 30 in x-Richtung auf die Werkstückoberfläche zugestellt wird. Auf diese Weise kann eine Mikrostrukturierung der Werkstückoberfläche erreicht werden, wobei nicht-rotationssymmetrische Oberflächenstrukturen mit hoher Präzision erzeugt werden können.
Mit dem anhand von 1 beschriebenen Aufbau lässt sich eine Bearbeitung von Werkstücken nach der Art des Plandrehens errei chen, das heißt das Werkstück wird rotierend angetrieben und das Werkzeug 32 wird quer zur Spindelachse vorwiegend in Horizontalrichtung (x-Richtung) bzw. radial zum Werkstück 16 bewegt, während die schnelle Zustellbewegung des Aktors 30 in z-Richtung, also in Richtung der Spindelachse 25, erfolgt. Zusätzlich sind natürlich Bewegungen in anderen Richtungen möglich, beispielsweise in z-Richtung zum Drehen von Konturen.
Es versteht sich, dass auch eine Werkstückbearbeitung nach der Art des Längsdrehens möglich ist. Hierzu erfolgt die Positionierbewegung für den Aktor 30 mittels des Antriebs 20 in z-Richtung, während der Aktor 30 eine Zustellbewegung in einer dazu senkrechten Ebene (x-/y-Ebene) ermöglicht. Zweckmäßigerweise ist hierzu der Aktor derart an dem Schlitten 24 positioniert, dass die Piezoachse in x-Richtung (oder ggf. in y-Richtung) ausgerichtet ist. Mit einer derartigen Anordnung könnte also eine Mikrostrukturierung eines Werkstücks an der Außenoberfläche (oder ggf. an der Innenoberfläche) nach der Art des Außenrunddrehens bzw. Innenrunddrehens durchgeführt werden.
Der besondere Aufbau des Aktors, der gegen eine Rückstellkraft in Richtung der Piezoachse sehr schnell bewegbar ist, jedoch in einer zur Piezoachse senkrechten Ebene eine hohe Steifigkeit besitzt, wird im Folgenden anhand der 2 und 3 näher beschrieben.
Der in den 2 und 3 dargestellte insgesamt mit der Ziffer 30 bezeichnete Aktor besteht im Wesentlichen aus einem Piezoantrieb 36, der an einem Gehäuse aufgenommen ist und der über eine Führungseinrichtung 38 auf ein Werkzeug 32 wirkt. Der Piezoantrieb 36 ermöglicht lediglich eine Bewegung in Axial richtung des Piezoantriebs, kann jedoch in einer Ebene senkrecht dazu keine Stellkräfte erzeugen. Mittels der Führungseinrichtung 38 wird nun gewährleistet, dass Stellbewegungen des Piezoantriebs 36 in seiner Axialrichtung unmittelbar auf das Werkzeug 32 übertragen werden können, dass der gesamte Aktor 30 jedoch in einer Ebene senkrecht zur Piezoachse eine hohe Steifigkeit aufweist.
Hierzu weist die Führungseinrichtung 38 einen Stößel 40 auf, dessen Stößelachse 41 möglichst genau mit der Längsachse 37 des Piezoantriebs 36 ausgerichtet ist. Der Stößel 40 ist gegen die Kraft von ersten Federelementen 44 und zweiten Federelementen 48 in Richtung seiner Stößelachse 41 in Axialrichtung bewegbar, ist jedoch durch die spezielle Ausgestaltung und Einspannung der Federelemente 44, 48 in einer Ebene senkrecht zur Stößelachse 41 praktisch unnachgiebig aufgehängt. Bei den Federelementen 44 bzw. 48 handelt es sich um Blattfedern aus breitem Federstahl geringer Stärke, wie er etwa als Fühlerlehrenband bekannt ist. Diese Blattfedern sind an ihren äußeren Enden an Haltern fest eingespannt, während der Stößel 40 in ihrer Mitte befestigt ist. Die ersten Federelemente 44 sind zwischen ringförmigen Haltern 45, 46 eingespannt, während die zweiten Federelemente 48 zwischen ringförmigen Haltern 49, 50 eingespannt sind.
Insgesamt ergibt sich auf diese Weise eine mögliche Axialauslenkung des Stößels in der Größenordnung von etwa 0,5 mm, während der Stößel 40 mit einer sehr hohen Steifigkeit in einer Ebene senkrecht dazu gehalten ist (statische Steifigkeit größer 100 N/μm). Die notwendige Rückstellkraft auf den Piezoantrieb 36 wird im dargestellten Fall nicht mechanisch sondern pneuma tisch erzeugt. Hierzu ist der Stößel 40 innerhalb eines Gehäuses 64 derart aufgehängt, dass ein nach außen luftdicht abgeschlossener Hohlraum 72 erreicht wird, der über einen Druckluftanschluss 74 mit Druckluft beaufschlagt werden kann. Der Hohlraum 72 ist in Axialrichtung durch eine erste Membran 68 an seinem dem Piezoantrieb 36 zugewandten Ende und durch eine zweite Membran 70 am werkzeugseitigen Ende abgedichtet. Hierbei ist der nach außen (zur Umgebungsluft) hin wirksame Membrandurchmesser bei der ersten Membran 68, die dem Piezoantrieb 36 zugewandt ist, deutlich größer als der Membrandurchmesser 70 auf der gegenüberliegenden Seite. Somit ergibt sich eine Druckdifferenz, durch die der mit den beiden Membranen 68, 70 im Zentrum verbundene Stößel 40 in Richtung auf den Piezoantrieb 36 vorgespannt wird. Die Vorspannkraft, die naturgemäß größer als die vom Piezoantrieb 36 erzeugten Beschleunigungskräfte sein sollte, kann durch die Wahl der Flächenverhältnisse der Membranen 68, 70 und durch den angewendeten Druck eingestellt werden.
Die Membranen 68, 70 bestehen vorzugsweise aus relativ starren Aluminiumelementen und liegen an ihrem Außenumfang jeweils an einer dünnen Gegenmembran 69 bzw. 71 an, die sich durch den Überdruck im Hohlraum 72 gegen die Membran 68 bzw. 70 anpresst. Ferner ist am axialen Ende des Hohlraums 72, das dem Piezoantrieb zugewandt ist, mit einem sehr geringen Abstand zur Gegenmembran 69 eine sich weitgehend über den gesamten Querschnitt des Hohlraums 72 erstreckende Sintermetallplatte 66 gehalten. Die Sintermetallplatte 66 besteht etwa aus Sinterstahl und weist einen gewissen Anteil einer offenen Porosität auf.
Auf diese Weise ist die Sintermetallplatte 36 luftdurchlässig, um den im Hohlraum 72 herrschenden Innendruck auf die Membran 68 übertragen zu können, führt jedoch infolge der dünnen Kanäle, die durch die offene Porosität gebildet sind, zu einer merklichen Dämpfung, wodurch die Auswirkungen des Schnittkraftrauschens im Betrieb des Aktors deutlich reduziert werden können.
Das Werkzeug 32 selbst kann etwa als Schneidplatte ausgebildet sein, die an einem Werkzeughalter 42 befestigt ist, der (mittels einer nicht dargestellten Schraube) am äußeren axialen Ende des Stößels 40 befestigt ist, wobei gleichzeitig die Befestigung an den zweiten Federelementen 48 in Form der gekreuzten Blattfedern erfolgt. Das gegenüberliegende Ende des Stößels 40 ist mit den beiden ersten sich kreuzenden Federelementen 44 fest verbunden. Hierzu dient eine Schraube 80, die sich durch entsprechende zentrale Ausnehmungen der beiden sich kreuzenden Federelemente 44 hindurch unter Zwischenlage eines Abstandshalters 76 und eines Zwischenstückes 78 in das Ende des Stößels 40 hinein erstreckt und damit verschraubt ist.
Der Piezoantrieb 36 ist an seinem dem Stößel 40 abgewandten Ende über eine Piezoaufnahme 62 mit einem Endstück 60 starr verschraubt. An seinem dem Stößel 40 zugewandten Ende liegt der Piezoantrieb 36 über eine Kugel 82 über eine Zentrierung 86 an der Schraube 80 an. Auf diese Weise werden etwaige Radialkräfte auf den Piezoantrieb 36 vermieden, die aus einem Ausrichtungsfehler zwischen der Längsachse 37 des Piezoantrieb 36 und der Stößelachse 41 bedingt sein könnten. Somit ist gewährleistet, dass der Piezoantrieb 36 lediglich in Richtung seiner Längsachse 37 beansprucht wird.
Die aus dem Piezoantrieb 36 und seiner Aufhängung mit Endstück 60 gebildete Einheit ist über Gewindebolzen 52 unter Zwischenlage von Abstandshülsen 54 unmittelbar durch die Halter 45, 46 hindurch verschraubt.
Insgesamt ergibt sich auf diese Weise ein kompakter Aktor 30, bei dem der Piezoantrieb 36 gegen eine pneumatische Rückstellkraft in Axialrichtung bewegbar ist und in einer Ebene senkrecht dazu eine hohe Steifigkeit aufweist.
Auf die Beschreibung zusätzlicher Maßnahmen, wie etwa auf einen kompletten Spritzschutz zum Schutz des Piezoantriebs 36 gegen Schneidöl während der Drehbearbeitung, wird hier verzichtet, da diese dem Fachmann geläufig sind.
Eine Abwandlung der Verbindung zwischen Piezoantrieb 36 und Stößel 40 ist aus 2a zu ersehen. Auch hierbei ist zwischen dem Piezoantrieb 36 und dem Stößel 40 ein Ausgleichselement 43 vorgesehen, das Ausrichtungsfehler zwischen der Längsachse 37 des Piezoantriebs 36 und der Stößelachse 41 kompensiert. Hierbei ist jedoch das Ausgleichselement 43 als Einschnürung 47 ausgebildet, die direkt mit einer Endplatte 39 des Piezoantriebs 36 und mit dem Stößel 40 gekoppelt ist und so eine direkte, jedoch seitlich nachgiebige Verbindung zwischen Piezoantrieb 36 und Stößel 40 herstellt.
In 3 ist zusätzlich noch ein seitlicher Tragarm 84 erkennbar, mittels dessen der Aktor 30 befestigt werden kann, etwa an dem Schlitten 24.
In 4 ist nun der gemessene Frequenzgang und Arbeitsbereich des Aktors gemäß der 2 und 3 dargestellt. Im vorliegenden Fall wurde als Piezoantrieb 36 ein Piezokristall von 40 μm Maximalzustellung verwendet. Der Piezoantrieb 36 wurde mit einer Amplitude von 1 V in einem Frequenzbereich von 0 bis 4000 Hz angeregt. Der Weg in Abhängigkeit von der Anregungsspannung ist in dem oberen Diagramm von 4 dargestellt. Das unmittelbar am Werkzeug 32 aufgenommene Vibrometer-Wegsignal zeigt einen sehr konstanten Amplitudengang von ca. 2,5 μm/V von 0 bis ca. 2250 Hz. Die erste Resonanzfrequenz liegt bei ca. 2400 Hz.
Im unteren Teil des Diagramms von 4 ist der Phasengang in Abhängigkeit von der Frequenz dargestellt. Es ergibt sich ein sehr linearer Phasengang von 0 bis 2250 Hz.
Der erfindungsgemäße Aktor ist somit aufgrund seiner sehr guten dynamischen Eigenschaften besonders zur Mikrostrukturierung von Oberflächen geeignet, insbesondere zur spanenden Bearbeitung von harten Werkstoffen, die mit hohen Schnittgeschwindigkeiten bearbeitet werden müssen. Es lassen sich beispielsweise bei einer Strukturamplitude von 5 μm Zustellfrequenzen bis zu etwa 2,25 kHz, realisieren. Bei höheren Zustellamplituden bzw. sehr hohem Materialabtrag ist die maximale Zustellfrequenz etwas geringer. Eine weitere Verbesserung der Dynamik durch Verwendung einer konventionellen Closed-Loop-Regelung (anstelle der verwendeten Open-Loop-Regelung) scheint nicht nötig und wäre auch aufgrund des gemessenen Phasengangs nicht bis knapp unterhalb der Resonanzfrequenz möglich.
Der maximale Stellweg des verwendeten Aktors 30 beträgt etwa 40 μm, womit die Resonanzfrequenz bei etwa 2400 Hz liegt. Für viele Anwendungsfälle wäre jedoch auch ein Piezoantrieb mit einem maximalen Stellweg von 20 μm ausreichend. Hiermit ergäbe sich eine Erhöhung der niedrigsten Resonanzfrequenz auf ca. 3,5 kHz.
Die Auswahl richtiger Bearbeitungsbedingungen für die Erzeugung einer Mikrolinsenstruktur wird nun anhand der 5 bis 7 näher erläutert.
Der Aktor 30, der zuvor anhand der 2 bis 4 näher beschrieben wurde, wurde in Verbindung mit einer Drehmaschine des Typs Index aus dem Jahr 1978 eingesetzt, die eine hochpräzise Spindel mit einem Rundlauffehler in der Größenordnung von 0,4 μm aufwies.
Die Vorrichtung wurde zur Herstellung einer Form für das Heißpressen von Linsen für PES-Scheinwerfer verwendet. Zur Einhaltung bestimmter Lichtverteilungseigenschaften muss hierbei die betreffende Linse in ausgewählten Oberflächenbereichen mit einer Mikrostrukturierung in Form von Mikrolinsen versehen sein. Durch eine derartige mikrostrukturierte oder „gefrostete" Linse werden besondere Lichtverteilungseigenschaften bei Verwendung in dem betreffenden Poly-Ellipsoid-Scheinwerfer erreicht. Die in der Form vorgegebene mikrostrukturierte Oberfläche wird bei der Herstellung der Linse durch Heißpressen auf die Linsenüberfläche übertragen.
In 5 ist nun eine Ausschnittsvergrößerung einer solchen Mikrolinsenstruktur dargestellt. Auf der vertikalen Achse ist hierbei der Grauwert von h_min mit 0 und h_max mit 255 dargestellt, was einer Strukturtiefe von 0 bis etwa 10 μm entspricht.
Eine derartige Struktur lässt sich auch durch ein zufällig generiertes Punktmuster gefaltet mit einem binomealen Filter erzeugen. Zur Erzeugung einer solchen Struktur, die in 6 dargestellt ist, können zum Beispiel in einem Bild der Größe 801 Pixel mal 801 Pixel mit einem Zufallsgenerator einzelne Pixel adressiert werden. Falls in einem Ortsabstand von n Pixeln zuvor kein Punkt adressiert wurde (das heißt alle Grauwerte der Nachbarpixel in diesem Umkreis sind 0), dann wird der Grauwert an dem adressierten Pixel zu 1 gesetzt. Der Zufallsgenerator läuft so etliche hunderttausendmal durch. Es entsteht hierdurch ein Bild mit zufällig angeordneten Punkten des Grauwertes 1, wobei jeweils zwei benachbarte Punkte diesen einen Grenzabstand nicht unterschreiten. Dieses Bild wird dann mit dem Binomealfilter zweidimensional gefaltet, eventuell mehrmals. Bildlich gesprochen wird der Binomealfilter im Mittelpunkt jeweils über die Einzelpunkte mit dem Grauwert 1 „übergestülpt". Hierdurch entsteht ein Bild mit den zufällig angeordneten „Bergen" und „Tälern", das sehr gut die Form einer Mikrolinsenstruktur gemäß 5 simuliert. Da ein derartiger Binomealfilter Tiefpasseigenschaften hat, hat das Gesamtbild auch Tiefpasseigenschaften. Dies kommt der Herstellung durch den verwendeten Aktor 30 sehr entgegen.
Im dargestellten Fall soll die in 5 bzw. 6 gezeigte Mikrostruktur nun mittels des Aktors 30 im Plandrehverfahren in die Oberfläche der Form eingebracht werden. Es versteht sich, dass in diesem Fall eine Umsetzung der in kartesischen Koordinaten gegebenen Soll-Mikrostruktur in ein Polar- Koordinatensystem notwendig ist. Diese in Polarkoordinaten umgesetzte Struktur kann beispielsweise in Form einer Look-Up-Tabelle (LUT) gespeichert werden. Sie gibt den Stellwert G(c, n) für den Aktor in Abhängigkeit vom Drehwinkel (c) und von der Position (n) des Aktors in Radialrichtung an.
In 7 ist nun eine Ortsfrequenzanalyse dargestellt, die an einer Struktur gemäß 6 erstellt wurde. Hierbei wird die Ortsfrequenz am Außenumfang der zu untersuchenden Struktur (im dargestellten Fall bei einem Radius von 34 mm) mittels einer Fourieranalyse FFT (Fast Fourier Transformation) aufgenommen. In dem dargestellten Oberflächenspektrum über einen Umfangsschnitt zeigt sich, dass der Ortsfrequenzgang von null bis etwa zwei Perioden pro Millimeter relativ konstant ist. Ab etwa 2,8 Strukturen pro Millimeter ist der Ortsfrequenzgang nahe null.
Die untere Abbildung von 7 zeigt nun die Umrechnung des mittels der FFT-Analyse aufgenommenen Ortsfrequenzgangs in einen Schwingungsfrequenzgang unter der Annahme einer Schnittgeschwindigkeit des Werkzeugs von 50 m/min. Damit ergibt sich ein linearer Abfall des Ortsfrequenzgangs auf nahe null ab ca. 2.350 Hz, während bis etwa 1,7 kHz ein sehr linearer Phasengang vorhanden ist.
Erfindungsgemäß wird die Schnittgeschwindigkeit so gewählt, dass bei der ersten Resonanzfrequenz des Aktors, die gemäß 4 bei ca. 2.400 Hz liegt, der Amplitudengang auf null abgefallen ist. Bei der gewählten Struktur kann somit eine Schnittgeschwindigkeit von 50 Meter pro Minute gewählt werden, da hierbei der Ortsfrequenzgang bei ca. 2.350 Hz auf nahe null abgefallen ist. Die mittels des Zufallsgenerators erzeugte Soll-Oberfläche gemäß 6, die der räumlichen Struktur gemäß 5 entspricht, hat somit den Amplitudengang eines tiefpassbegrenzten weißen Rauschens und kann mit dem erfindungsgemäßen Aktor 30 vorteilhaft mit einer Schnittgeschwindigkeit von etwa 50 m/min. erzeugt werden. Damit ist auch die Bearbeitung sehr harter Metallwerkstoffe, wie etwa von Hartmetallen möglich, die eine ausreichend hohe Schnittgeschwindigkeit erfordern, da ansonsten Vibrationen auftreten.
8 zeigt die grundsätzliche Steuerung der Vorrichtung 10 zur Mikrostrukturierung bei einer Bearbeitung nach der Art des Plandrehens.
Zunächst wird eine stochastische Mikrolinsenstruktur erzeugt (vgl. 5 bzw. 6). Alternativ können natürlich andere Strukturen abgebildet werden, wie etwa umgerechnete Fotografien, Symbole etc.
Diese Strukturen werden sodann in Polarkoordinaten transformiert.
Anhand einer Ortsfrequenzanalyse erfolgt anschließend die Auswahl der Bearbeitungsbedingungen und eine Simulation der Bearbeitung. Mit einer geeigneten Schnittgeschwindigkeit werden sodann von einem Echtzeitrechner zur Aktoransteuerung, bei dem es sich um einen PC mit Signalprozessorkarte handeln kann, die notwendigen Stellsignale für den Aktor und für die Positionierung des Aktors in Radialrichtung erzeugt. Der Echtzeitrechner wertet hierzu die von dem Drehgeber 31 erzeugten Drehgeberimpulse für die Drehachse und die von einem weiteren Drehgeber für die Radialachse erzeugten Impulse aus und erzeugt den Start- und Endimpuls für die Bearbeitung.
Bei der Ortsfrequenzanalyse wird ermittelt, welche Grenzfrequenz die erzeugende Soll-Mikrostruktur aufweist. Ergibt die Ortsfrequenzanalyse eine sehr hohe Grenzfrequenz, so führt dies dazu, dass nur eine sehr geringe Schnittgeschwindigkeit gewählt werden kann, um sicherzustellen, dass die maximale Grenzfrequenz unterhalb der ersten Resonanzfrequenz des Aktors liegt. Dies wäre beispielsweise der Fall, wenn die zu erzeugende Soll-Mikrostruktur scharfe Kanten oder dergleichen aufweist.
In diesem Fall ist es sinnvoll, die zur erzeugende Soll-Mikrostruktur zunächst durch ein Tiefpassfilter oder Bandpassfilter, beispielsweise durch ein Sobel-Filter zu glätten, um so ein tiefpassgefiltertes Signal zu erhalten, das auf vorteilhafte Weise mit dem erfindungsgemäßen Aktorsystem bearbeitet werden kann.
Die zu erzeugende Soll-Mikrostruktur (vgl. 6) sollte quadratisch sein und in Pixeldarstellung ungerade sein, beispielsweise 801 mal 801 Pixel. Aus dieser quadratischen Struktur kann bei der Drehbearbeitung ein Kreis mit einem Durchmesser von 801 Pixel bearbeitet werden. Um auch am äußeren Bildrand im Polarkoordinaten quadratische Pixel zu erhalten, sollte das Bildformat etwa der Auflösung des Drehgebers der Spindelachse dividiert durch PI (die Pixelgenauigkeit) entsprechen. Wird eine Tiefenvorgabe von 1 Byte (= 255 Graustufen) gewählt, so kann beispielsweise ein Drehgeber mit 2.500 Inkrementen verwendet werden. Die 255 Graustufen sollen beispielhaft später in der Tiefenzustellung des Aktors einer Tiefe von 0 bis 10 μm entsprechen.
In 9 ist nun der zugehörige Algorithmus für eine derartige Bearbeitung dargestellt.
Die zu erzeugende Soll-Mikrostruktur wird in Polarkoordinaten umgerechnet und als Polarkoordinatenbild G(c, n) als LUT mit 2.500×401 Pixel gespeichert, wobei der Stellwert für den Aktor mit der Genauigkeit von 1 Byte angegeben ist. Der Stellwert G kann somit Werte zwischen 0 und 255 annehmen, was einer Auslenkung des Aktors zwischen 0 und maximal 40 μm entsprechen kann oder auch einem kleineren Bereich, beispielsweise von 0 bis 10 μm.
Das Polarkoordinatenbild gemäß 9 wird in der LUT im BMP-Format gespeichert.
Die Winkelposition der Spindel 12 wird gemäß 9 mittels des Drehgebers Spindel C erfasst und ausgehend von einem Anfangswert „Initiator Spindel" nach Umsetzung in einen Digitalwert über den Flankenzähler erfasst und als „c-Wert" verarbeitet.
Auch die Radialposition des Aktors wird über einen Drehgeber Y erfasst und nach Umsetzung in einen Digitalwert über einen Flankenzähler verarbeitet.
Der Piezoantrieb wird über einen Echtzeitrechner mit den Stellwerten für die Zustellung in z-Richtung (Weg von h_min bis h_max) angesteuert. Der Verstärker erhält seine Eingangswerte aus der LUT und den von den Drehgebern für die Winkelposition und Radialposition erhaltenen Werte über einen Digital/Analog-Wandler nach einem geeigneten Algorithmus.
Die Verstärkereingangsspannung U_min bei g = 0 entspricht h_min, während die Verstärkereingangsspannung U_max bei g = 255 dem maximalen Stellwert h_max entspricht. „Vollradius" bedeutet die Anzahl der Radialimpulse beim Fahren von R_max bis R₀ (also vom Außenradius bis zur Mitte). In 9 bedeutet „floor(y)" eine Abrundung auf die nächste gerade Zahl.
Mit dem in 9 dargestellten Algorithmus wird der Verstärker über den Digital/Analog-Wandler ausgehend von den Werten aus der LUT und von den Werten des Drehgebers C für die Spindel und des radialen Drehgebers Y für die Radialposition gesteuert.
Dabei verwendet der Algorithmus einer Interpolation für zwei in Radialrichtung unmittelbar nebeneinander liegende Pixel, um die Verstärkereingangsspannung bei der Zustellung des Aktors um ein Pixel in Radialrichtung zu glätten. Wie im ersten Kästchen rechts neben dem Polarkoordinatenbild dargestellt, interpoliert der Algorithmus g = G(c, n + 1)·(1 – d) + G(c, n + 2)·d. Daraus ergibt sich dann der digitale Wert u für die Verstärkereingangsspannung nach u = U_min + g·(U_max – U_min)/255. Dieser Wert wird über den Digital/Analog-Wandler in einen Analogwert zur Ansteuerung des Verstärkers umgesetzt.
Es findet also eine lineare Interpolation der Stellwerte bei in Radialrichtung nebeneinanderliegenden Pixeln statt, während für den Drehwinkel auf eine Interpolation verzichtet wird. Auf diese Weise werden sonst erkennbare „Riefen" in Drehrichtung vermieden.
Für den Stellwert bei konstanter Radialposition ist keine Interpolation erforderlich, da das mechanische System des Aktors eine ausreichend hohe Trägheit aufweist, um in Umfangsrichtung eine Glättung zu erzielen.

Claims

Vorrichtung zur Erzeugung von Mikrostrukturen, mit einer um ihre Längsachse (25) rotierend antreibbaren Spindel (12), an der eine Aufnahme zum Einspannen eines Werkstückes (16) vorgesehen ist, mit einem Aktor (30), der einen schnellen Antrieb (36) zur Erzeugung einer schnellen Bewegung eines Werkzeugs (32) in einer zur Werkstückoberfläche im Wesentlichen senkrechten Richtung aufweist, wobei der Aktor (30) mittels eines weiteren Antriebes (24) zur Erzeugung eines linearen Vorschubes in einer ersten Richtung (x) entlang einer zu bearbeitenden Werkstückoberfläche positionierbar ist, wobei der schnelle Antrieb (36) mit dem Werkzeug (32) über eine Führungseinrichtung (38) gekoppelt ist, die eine Zustellung des Werkzeugs (32) entgegen einer Rückstellkraft erlaubt, dadurch gekennzeichnet, dass der schnelle Antrieb (36) zur Erzeugung einer geradlinigen Bewegung des Werkzeugs (32) in Axialrichtung des schnellen Antriebs (36) ausgebildet ist, und dass die Führungseinrichtung (38) in Axialrichtung (41) des schnellen Antriebs (36) nachgiebig ist, jedoch in einer Ebene senkrecht dazu eine hohe Steifigkeit aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der schnelle Antrieb als Piezoantrieb ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungseinrichtung (38) in einer Ebene senkrecht zur Zustellrichtung der Führungseinrichtung (38) eine statische Steifigkeit von mindestens 50 N/μm, vorzugsweise von mindestens 100 N/μm aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungseinrichtung (38) einen Stößel (40) aufweist, der an ersten und zweiten Federelementen (44, 48) beweglich gehalten ist, wobei die Federelemente (44, 48) in Radialrichtung des Stößels (40) weitgehend unnachgiebig sind, jedoch senkrecht dazu in Richtung der Stößelachse (41) eine Auslenkung gegen die Federkraft der Federelemente (44, 48) erlauben.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Federelemente (44, 48) als Blattfedern ausgebildet sind, die an ihren beiden längsseitigen Enden an Haltern (45, 46, 49, 50) eingespannt sind und quer dazu beweglich sind.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Federelemente (44, 48) aus Fühlerlehrenbändern bestehen, die miteinander gekreuzt in Radialrichtung zwischen dem Halter (45, 46, 49, 50) und dem Stößel (40) eingespannt sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Federelemente als radialsymmetrische Scheiben insbesondere in Form von Tellerfedern ausgebildet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeug (32) an einem ersten Ende des Stößels (40) eingespannt ist, und dass der Stößel (40) an seinem dem Werkzeug (32) gegenüberliegenden zweiten Ende gegen den schnellen Antrieb (36) vorgespannt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Stößel (40) durch einen Fluiddruck oder Federdruck gegen den schnellen Antrieb (36) vorgespannt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Stößel (40) in einem Gehäuse (64) gehalten ist, und dass der Stößel (40) mit dem Gehäuse (64) einen druckdicht abgeschlossenen Raum (72) bildet, der mit einem Fluiddruck beaufschlagbar ist, wobei der Raum (72) über eine erste mit dem Stößel (40) verbundene Membran (68) auf der Piezoseite und eine zweite mit dem Stößel (40) verbundene Membran (70) auf der Werkzeugseite in Axialrichtung nach außen hin abgedichtet ist, wobei die erste Membran (68) eine größere dem Fluiddruck ausgesetzte wirksame Fläche als die zweite Membran (70) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine der Membranen (68, 70) aus Aluminium besteht.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Piezoantrieb (36) an seinem dem Stößel (40) abgewandten ersten Ende an einer Aufnahme (60) eingespannt ist, und mit seinem dem ersten Ende gegenüberliegenden zweiten Ende über ein Ausgleichselement (43, 82), das Ausrichtungsfehler zwischen der Stößelachse (41) und der Längsachse (37) des Piezoantriebs (36) kompensiert, mit dem Stößel (40) gekoppelt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Ende des Piezoantriebs (36) über ein konvexes Element, insbesondere eine Kugel (82) oder ein balliges Element, an einer zugeordneten Zentrierung (86) des Stößels (40) anliegt.
Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Piezoantrieb (36) an seinem zweiten Ende durch eine Endplatte (39) abgeschlossen ist, die über eine Einschnürung (47) mit dem Stößel (40) gekoppelt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (64) mindestens ein aus einem Sintermaterial, vorzugsweise einem Sintermetall, bestehendes Dämpfungselement (66) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Dämpfungselement (66) einen Anteil einer offenen Porosität aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb (24) einen Vorschub in einer Richtung (x) senkrecht zur Spindelachse (25) erlaubt und dass der Aktor (30) eine Bewegung des Werkzeugs (32) in Richtung (z) der Spindelachse (25) erlaubt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb (20) einen Vorschub in einer zur Spindelachse (25) parallelen Richtung (z) erlaubt, und dass der Aktor (30) eine Bewegung des Werkzeugs (32) senkrecht dazu (x, y) erlaubt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine elektronische Steuerung (17) zur Steuerung der Bewegung des Aktors (30) vorgesehen ist, die die Bewegung des Aktors (30) in Abhängigkeit von der Winkelposition (c) des Werkstücks (16) und der Lage (n) des Aktors (30) entlang der ersten Richtung (x) relativ zum Werkstück (16) steuert.
Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung (17) ein Mittel zur Transformation einer vorgegebenen zu erzeugenden Soll-Mikrostruktur des Werkstücks in eine koordinatentransformierte Struktur aufweist, in der die Stellwerte (G(c, n)) für den Aktor (30) in Abhängigkeit vom Drehwinkel (c) und dem Linearvorschub (n) in der ersten Richtung (x) entlang der Werkstückoberfläche enthalten sind.
Vorrichtung nach Anspruch 18 und 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung (17) ein Mittel zur Transformation einer in kartesischen Koordinaten gegebenen zu erzeugenden Soll-Mikrostruktur des Werkstückes (16) in eine koordinatentransformierte Struktur in Polarkoordinaten vorgesehen ist, in der die Stellwerte (G(c, n)) in Abhängigkeit von Polarkoordinaten (c, n) gespeichert sind, die den Drehwinkel (c) und den Radius (n) enthalten.
Vorrichtung nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, dass das die koordinatentransformierte Struktur in einer Look-Up-Tabelle (LUT) speicherbar ist, aus der die elektronische Steuerung (17) ein Stellsignal (h) ableitet, dass einem Verstärker zur Ansteuerung des Aktors (30) zugeführt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Steuerung (17) Mittel zur Interpolation des dem Verstärker zugeführten Stellsignals in Abhängigkeit von Lageinkrementen des Linearvorschubes (n) in der ersten Richtung (x) aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktor (30) eine erste Resonanzfrequenz (f_R) von mindestens 1500 Hz, vorzugsweise von mindestens 2000 Hz, besonders bevorzugt von mindestens 3000 Hz aufweist, und dass die Steuereinrichtung (17) dazu ausgebildet ist, dem Aktor (30) ein tiefpassgefiltertes oder bandpassgefiltertes Signal zuzuführen, dessen obere Grenzfrequenz (f_G) unterhalb der Resonanzfrequenz (f_R) des Aktors (30) liegt.
Aktor (30) zur Bewegung eines Werkzeugs an einer Drehmaschine (10) zur Erzeugung einer mikrostrukturierten Oberfläche mittels eines schnellen Antriebs, insbesondere eines Piezoantriebs (36), wobei der schnelle Antrieb (36) mit dem Werkzeug (32) über eine Führungseinrichtung (38) gekoppelt ist, die eine Zustellung des Werkzeugs (32) ent gegen einer Rückstellkraft erlaubt, dadurch gekennzeichnet, dass der schnelle Antrieb (36) zur Erzeugung einer geradlinigen Bewegung des Werkzeugs (32) in Axialrichtung des schnellen Antriebs (36) ausgebildet ist, und dass die Führungseinrichtung (38) in Axialrichtung (41) des schnellen Antriebs (36) nachgiebig ist, jedoch in einer Ebene senkrecht dazu eine hohe Steifigkeit aufweist.
Verfahren zur Erzeugung einer mikrostrukturierten Oberfläche auf einem von einer Spindel (12) rotierend angetriebe nen Werkstück (16) unter Verwendung eines von einem Aktor (30) angetriebenen Werkzeugs (32), das in Richtung (z) auf die Werkstückoberfläche mittels des Aktors (30) bewegbar ist und senkrecht dazu entlang der Werkstückoberfläche mittels eines weiteren Antriebs (24) linear positionierbar ist und senkrecht dazu, mit folgenden Schritten: (a) Bereitstellen einer Soll-Mikrostruktur für ein zu bearbeitendes Werkstück (16), (b) Transformieren der Soll-Mikrostruktur in eine Datei (Look-Up-Tabelle, LUT), die in Abhängigkeit vom Drehwinkel (c) des Werkstücks (16) und vom linearen Vorschubweg (n) des Werkzeugs entlang der Werkstückoberfläche Stellpositionen G(c, n) in einer dazu senkrechten Arbeitsrichtung zur aktorgesteuerten Stellbewegung des Werkzeugs (16) enthält, (c) Erstellen einer Ortsfrequenzanalyse der Soll-Mikrostruktur und Bestimmen einer maximalen Grenzfrequenz (f_G) des Signals für die Stellposition G(c, n) in Abhängigkeit vom Drehwinkel (c), vom linearen Vorschub (n) des Aktors entlang der Werkstückoberfläche und von der Schnittgeschwindigkeit (v), (d) Einstellen der Schnittgeschwindigkeit (v) zur Drehbearbeitung des Werkstücks (16) derart, dass die maximale Grenzfrequenz (f_G) der Soll-Mikrostruktur unterhalb der ersten Resonanzfrequenz (f_R) des Aktors (30) liegt (f_G < f_R), (e) Antreiben der Spindel (12) und eines Antriebs (24) zur linearen Positionierung des Aktors (30) entlang der Werkstückoberfläche und Mikrostrukturieren des Werkstücks (16) durch Zustellen des Werkzeugs (32) gegen die Werkstückoberfläche mittels des Aktors (30) gemäß der aus der Look-Up-Tabelle abgeleiteten Stellwerte in Abhängigkeit von der Schnittgeschwindigkeit (v), vom Drehwinkel (c) und vom Vorschubweg (n) des Aktors entlang der Werkstückoberfläche.
Verfahren nach Anspruch 26, bei dem das Signal für die Zustellung des Aktors tiefpassgefiltert oder bandpassgefiltert wird, falls die gemäß Schritt (d) einstellbare Schnittgeschwindigkeit nicht ausreichend ist.
Verfahren nach Anspruch 26 oder 27, bei dem die Soll-Mikrostruktur des Werkstücks (16) mittels eines Algorithmus derart erzeugt wird, dass sich bei der Ortfrequenzanalyse ein tiefpassbegrenztes weißes Rauschen ergibt.
Verfahren nach Anspruch 28, bei dem die Soll-Mikrostruktur des Werkstücks (16) durch ein zufällig generiertes Punktmuster, gefaltet mit einem Tiefpassfilter, insbesondere mit einem binomialen Filter, erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 26, 27 oder 28, bei dem die Soll-Mikrostruktur durch ein zufällig generiertes Punktmuster erzeugt wird, das in einen Frequenzraum transformiert wird, tiefpassgefiltert wird und danach in den Ortsraum zurücktransformiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 26 bis 30, bei dem der Aktor (30) in Richtung (z) der Spindelachse (25) zugestellt wird und mittels des weiteren Antriebs (24) in einer dazu senkrechten Richtung (x) positioniert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 26 bis 30, bei dem der Aktor (30) mittels des weiteren Antriebs parallel zur Spindelachse (25) in z-Richtung positioniert wird und der Aktor (30) senkrecht dazu (x, y) gegen die Werkstückoberfläche zugestellt wird.
Verfahren zur Mikrostrukturierung eines optischen Elementes, insbesondere einer Mikrolinsenstruktur oder einer diffraktiven Struktur, oder zur Herstellung einer Pressform für ein solches optisches Element, nach einem der Ansprüche 26 bis 32.
Verfahren zur Mikrostrukturierung einer tribologisch beanspruchten Fläche, insbesondere für ein Gleitlager, nach einem der Ansprüche 26 bis 32.