DE202004011815U1

DE202004011815U1 - Device for producing microstructures

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Publication number: DE202004011815U1
Application number: DE202004011815U
Authority: DE
Original assignee: Schott AG
Current assignee: Schott AG
Priority date: 2004-04-23
Filing date: 2004-07-28
Publication date: 2005-02-24
Anticipated expiration: 2014-07-29
Also published as: DE502005007003D1; DE102004020990B4; DE102004020990A1; ATE400402T1; ATE410261T1; DE502005005644D1; CN100592959C; TW200534949A; ATE416061T1; DE502005006144D1; DE502005004658D1; CN1946514A; ATE427184T1

Abstract

The device for producing microstructures has a rotating driven spindle (12) and a holder for clamping a workpiece (16). A fast drive is coupled to a tool (32) over a guidance arrangement, which permits adjustment of the tool in an axial direction of the fast drive against a return force. The drive has high rigidity in the plane perpendicular to the drive direction. An independent claim is made for an actuator (30) for moving the tool of a turning machine (10) to produce a micro-structured surface in a workpiece, especially using a piezoelectric drive.

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.The The invention relates to a device for producing microstructures, with one around its longitudinal axis rotatably driven spindle, on which a receptacle for clamping a workpiece provided is, with an actuator that generates a fast drive a rapid movement of a tool in one to the workpiece surface substantially having vertical direction, wherein the actuator by means of another Drive for generating a linear feed in a first direction can be positioned along a workpiece surface to be machined.

Die Erfindung betrifft ferner einen für eine derartige Vorrichtung geeigneten Aktor.The The invention further relates to a device for such a device suitable actuator.

Eine Vorrichtung gemäß der vorstehend genannten Art ist aus der EP 0 439 425 B1 bekannt.An apparatus according to the aforementioned type is known from EP 0 439 425 B1 known.

Die bekannte Vorrichtung wird 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 Piezotransla toreinrichtungen in Abhängigkeit vom Rotationswinkel der Spindel um die Spindelachse gesteuert werden.The known device is used for the manufacture of contact lenses used a turning method. After that, a blank for a too machining contact lens attached to a spindle. That of the Spindle rotating driven workpiece can by means of a turning tool be processed by means of a piezoelectric drive is positioned. The lathe has a columnar Rotary support, which is pivotally mounted about a pivot axis. At the rotary support a slide guide is attached. At the slide guide is a Tool carriage linear and in the radial direction to the pivot axis the rotary support movably guided. On the tool carriage, a tool holder for a turning tool is preferably stored in the form of a rotary diamond. The tool carriage can for coarse adjustment of the rotary tool about the pivot axis of the rotary support moved by means of a motor drive along the carriage guide become. For fine positioning of the rotary tool is a piezoelectric Drive provided, which consist of two Piezotranslatoreinrichtungen can. While a first piezotranslator means a movement in the direction the carriage guide allows is a second Piezotranslatoreinrichtung for a perpendicular movement educated. Here you can the actuating movements of Piezotransla gate devices in dependence controlled by the rotation angle of the spindle about the spindle axis.

Auf diese Weise ist eine hochpräzise Oberflächenbearbeitung von Linsen mittels eines Diamantdrehmeißels ermöglicht, wobei auch nicht rotationssymmetrische Oberflächen erzeugt werden können.On This way is a high precision surface treatment of lenses by means of a diamond turning tool allows, although not rotationally symmetric surfaces can be generated.

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.Similar devices for producing non-rotationally symmetric surfaces by a turning operation by means of a piezoelectric drive are approximately from the US 5,467,675 or known from GB 2 314 452 A.

Mit den bekannten Vorrichtungen können zwar Feinstruktur-Oberflächenbearbeitungen mit Hilfe von Diamantwerkzeugen durchgeführt werden, jedoch sind diese Vorrichtungen 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 Mikrostrukturen wirken bei den hergestellten Linsen als mikrooptische Komponenten, um eine bestimmte vorgegebene Lichtverteilungscharakteristik im Scheinwerfer einzuhalten.With Although the known devices can Fine-structure surface treatments with the help of diamond tools, however, these are Devices due to insufficient dynamic properties not suitable for precise, very hard, metallic materials to edit. Such materials are used, for example, as mold materials for the Production of lenses needed by hot pressing. It This may be, for example, carbide materials. In such forms must For example, for the production of lenses for lighting purposes, in so-called Poly ellipsoidal headlamps (PES headlamps) be used, very specific microstructures are introduced, when molding by hot pressing on the concerned Transfer lenses become. These microstructures act on the manufactured lenses as micro-optical components to a certain predetermined light distribution characteristic to keep in the headlight.

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.The Production of such forms, such as carbide or Cast iron can exist in the intended form so far only with geometrically indeterminate Procedure possible. For this purpose, the forms in question are first in macroscopic form The respective lenses are processed by turning. Then done if necessary, polishing the mold surface. The areas of the mold used to generate scattering centers on the are provided with lenses to be produced, then, for example produced by blasting with corundum in several operations, with filler panels for those areas are not used that way should be microstructured. After the beam processing takes place partly still a flat one Treatment. For the production of such a form are therefore numerous manual steps necessary, which is a very time consuming and Expensive machining means the desired surface texture to create. In addition, such a work sequence includes a variety error possibilities, the one reproducible setting of a special light distribution adversely affect.

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.The above-mentioned prior art devices with piezoelectric drives are not suitable for such a shape, as they do not have the necessary mechanical stability and the required dynamic properties to work precisely when processing hard metallic materials with the required high cutting speeds. Although it could possibly be position-controlled work with the known devices, but this is naturally only with a sufficient distance up to the first resonant frequency of each system possible, which is why working with the known systems to a maximum of about 1,000 Hz is possible. The achievable cutting speeds, however, are not sufficient to achieve a clean processing with sufficient surface quality in the above-mentioned materials, especially when non-rotationally symmetric surface structures of the type mentioned above are to be produced.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung 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.Of the Invention is therefore the object of a device for Creation of microstructures to create, with which also a processing of hard metallic materials, such as hard metals and gray cast iron, is made possible with high cutting speeds and at the same time Non-rotationally symmetric microstructures can be achieved. in this connection in particular, the production of molds for the production of lenses by hot pressing allows which are suitable as lenses for PES headlights are and are provided with Mikrostreulinsenstrukturen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einer Vorrichtung gemäß der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass der Aktor mit dem Werkzeug über eine Führungseinrichtung gekoppelt ist, die eine Zustellung des Werkzeugs in Axialrichtung des schnellen Antriebs entgegen einer Rückstellkraft erlaubt und in einer Ebene senkrecht dazu eine hohe Steifigkeit aufweist.These Task is according to the invention in a Device according to the above solved by the type mentioned, that the actuator with the tool over a leadership facility coupled, which is a delivery of the tool in the axial direction allowed the fast drive against a restoring force and in a plane perpendicular to a high rigidity.

Die Aufgabe der Erfindung wird auf diese Weise vollkommen gelöst.The The object of the invention is completely solved in this way.

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.By Such a coupling of a fast drive with a special designed leadership facility, in a direction perpendicular to the direction of movement of the fast drive Level high rigidity on all sides, can be an actuator-driven system be created for moving a turning tool, the one sufficient high resonance frequency combined with high dynamic stiffness also has a machining of hard materials, such as Hard metals or cast iron, with a sufficiently high cutting speed to enable. This avoids vibrations that are otherwise easy to work with of hard materials, such as gray cast iron, can arise and which affect the surface quality would.

Bei dem schnellen Antrieb handelt es sich vorzugsweise um einen Piezoantrieb.at The fast drive is preferably a piezo drive.

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.Besides are also other embodiment for the fast Drive conceivable, such as a hydraulic drive. Under a fast drive in the sense of this application is understood to mean a drive which can perform a fast controlled movement in the axial direction, but in a plane perpendicular to it no controlled movement can perform and only very small forces can record. Under "fast" is in this context to understand that the drive when controlled with a suitable Control signal a movement with a frequency of at least 500 Hz or more can.

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.In preferred development of the invention comprises the guide device in a plane perpendicular to the feed direction of the guide means a static stiffness of at least 50 N / μm, preferably of at least 100 N / μm, on.

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.With such a device can in particular molds for hot pressing of lenses for PES headlights produced on their surface with microlens structures are provided or are "frosted" cutting speeds for machining gray cast iron or hard metals in the order of magnitude of 60 meters per minute and more. This is enough to get one clean machining of non-rotationally symmetric surfaces in a reasonable time. It can here conventional insert inserts be used.

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 Advantageous development of the invention, the guide device a pestle, which is held movably on first and second spring elements, wherein the spring elements in the radial direction of the plunger largely unyielding are, but perpendicular to it in the direction of the plunger axis a deflection against allow the spring force of the spring elements.

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 Advantageous development of this embodiment, this is the spring elements designed as leaf springs, at their two longitudinal sides Ends are clamped to holders and are movable transversely thereto.

In zweckmäßiger Weiterbildung dieser Ausführung bestehen hierbei die Federelemente aus Fühlerlehrenbändern, die miteinander gekreuzt in Radialrichtung zwischen dem Halter und dem Stößel eingespannt sind.In appropriate training this version in this case, the spring elements consist of feeler ligaments, which are crossed with each other are clamped in the radial direction between the holder and the plunger.

Alternativ hierzu ist eine Ausführung als radialsymmetrische Federelemente, etwa in Form von Tellerfedern, möglich, wobei der Stößel im Zentrum angekoppelt ist.alternative this is an execution as radially symmetrical spring elements, for example in the form of disc springs, possible, the ram being coupled in the center is.

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.By leaves such a structure sufficient flexibility of the guide device in the direction of movement the fast drive with a simultaneously high rigidity in a plane perpendicular to achieve.

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.In Advantageous development of the invention is the tool on a clamped in the first end of the plunger, while the pestle on his the tool opposite second end is biased against the fast drive.

Auf diese Weise wird die notwendige Rückstellkraft gewährleistet, gegen die der schnelle Antrieb wirkt.On this way, the necessary restoring force is ensured against which the fast drive acts.

In vorteilhafter Weiterbildung dieser Ausführung ist der Stößel durch einen Fluiddruck gegen den schnellen Antrieb vorgespannt.In Advantageous development of this embodiment is the plunger by biased a fluid pressure against the fast drive.

Obwohl die Vorspannung grundsätzlich auch auf mechanische Weise, zum Beispiel durch Federn, erreicht werden könnte, wird durch diese Maßnahme die Auswirkung des Schnittkraftrauschens reduziert.Even though the bias basically also achieved in a mechanical manner, for example by springs could be This will be the measure Effect of cutting noise reduced.

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.In Advantageous development of this embodiment is the plunger in one casing held, with the plunger with the housing forms a pressure-tight closed space, which with a fluid pressure is acted upon, the space via a first connected to the plunger Membrane on the piezo side and a second connected to the plunger Diaphragm on the tool side in the axial direction outwards is sealed, and wherein the first membrane has a larger Fluid pressure exposed effective area as the second membrane having.

Die Membranen bestehen in vorteilhafter Weiterbildung dieser Ausführung aus Aluminium.The Membranes consist in an advantageous development of this embodiment Aluminum.

Auf diese Weise kann die Rückstellkraft für den Piezoantrieb auf einfache und zuverlässige Weise gewährleistet werden und gleichzeitig eine Auswirkung des Schnittkraftrauschens reduziert werden.On this way, the restoring force for the Piezo drive ensured in a simple and reliable manner become and at the same time an impact of the Schnittkraftrauschens be reduced.

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.In Advantageous development of this embodiment, the housing has at least a made of a sintered material, preferably a sintered metal existing damping element on. The damping element in this case preferably has a proportion of open porosity.

Dabei kann ferner zwischen dem Dämpfungselement und der zugewandten Membran ein Spalt einer Dicke von vorzugsweise 0,1 bis 1 Millimeter gebildet sein, der mit einem Dämpfungsmittel, gefüllt ist. Hierbei kann es sich etwa um Luft, Fett oder Öl handeln.there can also be between the damping element and the facing membrane, a gap of a thickness of preferably 0.1 to 1 millimeter formed with a damping agent, filled is. This may be air, grease or oil.

Durch diese Maßnahmen können die Auswirkungen des Schnittkraftrauschens noch weiter reduziert werden.By these measures can the effects of the cutting noise are further reduced become.

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.In Advantageous development of the invention is the piezo drive his opposite the plunger first end is clamped to a receptacle and is at its first End opposite second end over a compensation element, the alignment error between the ram axis and the longitudinal axis compensated for the piezo drive, coupled to the plunger.

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.in this connection For example, the second end of the piezo drive may be connected via a convex element, in particular a ball or a spherical element, at an associated centering abut the plunger.

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.On this way, the introduction of static and dynamic shear forces in radial Direction, for example, due to alignment error between the piezo drive and the pestle as well caused by cutting power noise, largely eliminated.

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.According to one alternative version the invention is the piezo drive at its second end by a cover plate is completed, which has a constriction with coupled to the plunger is.

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.On that way the mass of the overall system will decrease even further and it may a h joint be saved, which is beneficial to the dynamics of the overall system is.

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.According to one Another embodiment of the invention, the drive allows a feed in a direction perpendicular to the spindle axis while the actuator is moving of the tool in the direction of the spindle axis allowed.

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.at this version the turning takes place according to the type of facing, while the tool by means of the piezo drive largely in the direction of the spindle axis, So in the z direction, is delivered.

Ein derartiger Aufbau ist beispielsweise zur Mikrostrukturierung von Formen für die Herstellung von Linsen für PES-Scheinwerfer geeignet.One Such structure is for example for microstructuring of Shapes for the manufacture of lenses for PES headlamps suitable.

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.According to one further execution the invention allows the drive to feed in one to the spindle axis parallel direction while the actuator allows movement of the tool perpendicular thereto.

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.With Such an arrangement may be a surface treatment of the workpiece by Microstructuring on the outer surface in the longitudinal direction respectively. Here, therefore, the type of longitudinal rotation is used, wherein the actuator a delivery of the tool in a direction perpendicular to the spindle axis standing level, so for example in the x direction.

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.A Such arrangement is for example for microstructuring of tribologically stressed surfaces, such as bearing surfaces on its outside suitable for improving fat intake and so on to achieve improved lubrication and emergency running properties.

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.In appropriate training The invention is an electronic control for controlling the Movement of the actuator provided, depending on the movement of the actuator from the angular position of the workpiece and the position of the actuator along the first direction relative to the workpiece controls.

Auf diese Weise können nicht-rotationssymmetrische Oberflächenstrukturen mit Hilfe der piezogesteuerten Zustellbewegung des Werkzeugs erzielt werden.On this way you can Non-rotationally symmetric surface structures with the help of piezo-controlled feed movement of the tool can be achieved.

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.According to one In another embodiment of the invention, the controller has a means to the transformation of a given in Cartesian coordinates generating target microstructure of the workpiece in a coordinate transformed Structure in polar coordinates, in which the manipulated variables are dependent are stored by polar coordinates that determine the angle of rotation and the Radius included.

Mit einer derartigen Koordinatentransformation kann der jeweilige Stellwert für den Aktor für den Fall des Plandrehens ermittelt werden.With such a coordinate transformation can the respective control value for the Actuator for the case of the facing are determined.

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.The Coordinate-transformed structure is preferably used in stored a look-up table (LUT) from which the electronic Derives a control signal to an amplifier to the Actuation of the actuator supplied becomes.

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.In preferred development of this embodiment has the electronic Control means for interpolation of the control signal supplied to the amplifier in dependence of position increments of the linear feed in the first direction on.

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.While in the working direction of the piezo drive the inertia of the mechanical system makes an interpolation superfluous and this automatically causes a certain smoothing, is an interpolation the amplifier supplied Control signals in dependence of position increments of the linear feed meaningful. So will the case of Figure adjacent pixels of the microstructure one by the linear actuator movement formation of grooves in the radial direction in the manner of Turning depths avoided.

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.In further advantageous embodiment of the invention, the actuator a first resonant frequency of at least 1500 Hz, preferably of at least 2,000 Hz, more preferably of at least 3,000 Hz, wherein the control device is adapted to the actuator to supply a low pass filtered or bandpass filtered signal whose upper Limit frequency is below the resonant frequency of the actuator.

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.With this version it is possible without a position control of the actuator with a high cutting speed to work that chosen is that the cutoff frequency of the target microstructure to be generated is just below the resonant frequency of the actuator. To this Way can with an open system without position control with maximum Cutting speed to be worked at the still sufficient Distance from the resonant frequency of the actuator is maintained.

Die Aufgabe der Erfindung wird ferner durch einen Aktor zur Bewegung eines Werkzeugs an einer Drehmaschine zur Erzeugung einer mikrostrukturierten Oberfläche mittels eines Piezoantriebs gelöst, wobei der Piezoantrieb mit dem Werkzeug über eine Führungseinrichtung gekoppelt ist, die eine Zustellung des Werkzeugs in Axialrichtung des Piezoantriebs entgegen einer Rückstellkraft erlaubt und in einer Ebene senkrecht dazu eine hohe Steifigkeit aufweist.The The object of the invention is further by an actuator for movement a tool on a lathe to produce a microstructured surface solved by means of a piezo drive, wherein the piezo drive is coupled to the tool via a guide device is that a delivery of the tool in the axial direction of the piezo drive against a restoring force allowed and in a plane perpendicular to a high rigidity having.

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.According to one Another embodiment of the invention, the desired microstructure of Workpiece by means of an algorithm generated such that in the spatial frequency analysis a low-pass white Noise results.

Hierbei kann die Soll-Mikrostruktur des Werkstücks durch ein mittels eines Zufallsgenerators erzeugtes Punktmuster, gefaltet mit Tiefpassfilter, vorzugsweise mit einem binomealen Filter, erzeugt werden.in this connection can the target microstructure of the workpiece by means of a Random generator generated dot pattern folded with low pass filter, preferably with a binomial filter.

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.at This configuration of the microstructure can already be used during production ensures the desired microstructure will result in a low pass filtered signal that is extra is suitable to be just below the resonant frequency of the actuator to work.

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.alternative Such a desired microstructure can be generated by applying a randomly generated dot pattern is generated, which is transformed into a frequency space, low-pass filtered is and then transformed back into the space.

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.A Such desired microstructure is especially for the production of a mold for producing a lens for a PES headlight by hot pressing suitable when at the surface the lens is to be formed a scattering microlens structure.

Erfindungsgemäß Verfahren kann der Aktor vorteilhaft in Richtung der Spindelachse zugestellt werden und mittels des ersten Antriebs in einer dazu senkrechten Richtung positioniert werden.According to the invention, the actuator can be delivered advantageously in the direction of the spindle axis and positioned by means of the first drive in a direction perpendicular thereto.

Hiermit wird eine Bearbeitung nach der Art des Plandrehens ermöglicht.Herewith a machining according to the type of facing is possible.

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.alternative For this purpose, the actuator can also be parallel by means of the first drive be positioned to the spindle axis in the z direction and the actuator perpendicular to be delivered against the workpiece surface.

Bei dieser Ausführung wird eine Mikrostrukturierung des Werkstücks nach der Art des Längsdrehens ermöglicht.at this version is a microstructuring of the workpiece according to the type of longitudinal turning allows.

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.It it is understood that the aforementioned and the following to be explained features of the invention not only in the respective specified combination, but also usable in other combinations or in isolation, without departing from the scope of the invention.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigen:Further Features and advantages of the invention will become apparent from the following Description of a preferred embodiment with reference on the drawing. Show it:

1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung in stark vereinfachter, schematischer Darstellung; 1 a device according to the invention in a highly simplified, schematic representation;

2 einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Aktor gemäß 1; 2 a longitudinal section through an actuator according to the invention 1 ;

2a einen Ausschnitt einer gegenüber 2 abgewandelten Ausführung des erfindungsgemäßen Aktors im Bereich der Verbindung zwischen Aktor und Stößel; 2a a section of a opposite 2 modified version of the actuator according to the invention in the region of the connection between the actuator and plunger;

3 eine perspektivische Ansicht des Aktors gemäß 2; 3 a perspective view of the actuator according to 2 ;

4 den Frequenzgang und den Phasengang des Aktors mit Werkzeug gemäß der 2 und 3; 4 the frequency response and the phase response of the actuator with tool according to the 2 and 3 ;

5 eine Ausschnittsvergrößerung einer herzustellenden Soll-Mikrolinsenstruktur für die Formherstellung zur Herstellung einer Linse für einen PES-Scheinwerfer; 5 an enlarged detail of a manufactured target microlens structure for the mold production for producing a lens for a PES headlamp;

6 eine Wiedergabe der Soll-Mikrostruktur gemäß 5 als Pixelbild; 6 a representation of the desired microstructure according to 5 as a pixel image;

7 eine Ortsfrequenzanalyse der Soll-Mikrostruktur gemäß 6 entlang des Außenumfangs bei einem Radius von R = 34 mm; 7 a spatial frequency analysis of the desired microstructure according to 6 along the outer circumference at a radius of R = 34 mm;

8 ein Prinzipschaltbild mit der Steuerung für den Aktor; 8th a schematic diagram with the controller for the actuator;

9 eine schematische Darstellung des Algorithmus zur Ansteuerung des Aktors und 9 a schematic representation of the algorithm for controlling the actuator and

10 einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Aktor, der gegenüber der Ausführung gemäß 2 leicht abgewandelt ist. 10 a longitudinal section through an actuator according to the invention, compared to the embodiment according to 2 slightly modified.

In 1 ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung äußerst schematisch dargestellt und insgesamt mit der Ziffer 10 bezeichnet.In 1 a device according to the invention is shown extremely schematically and in total with the numeral 10 designated.

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.In the device according to the invention 10 it is a lathe, in addition to an actuator 30 is equipped to a fast, piezogesteuerte movement of a tool 32 in relation to a workpiece 16 to enable. The device 10 has a spindle 12 on, around their spindle axis 25 is rotationally drivable, as by an arrow 28 is clarified. At the spindle 12 is a recording 14 in the form of a chuck for clamping a workpiece 16 intended.

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.On a machine bed 13 the device 10 is a drive 20 along a in z-direction (parallel to the spindle axis 25 ) extending guide provided by means of which a tool carriage 18 can be moved in the z-direction, as indicated by the double arrow 26 is indicated. On the tool slide 18 is a drive 22 provided by means of which a carriage 24 in the vertical direction (y-direction) can be moved, as by the double arrow 27 is indicated. At the sled 24 Finally, another drive is provided, the a method in the horizontal direction (x-direction transverse to the spindle axis 25 ).

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.At the sled 24 is finally the actor 30 received, by means of which the tool 32 can also be moved in z-direction, as by the double arrow 34 is indicated.

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.For controlling the lathe and the actuator, a central control is provided which schematically with the numeral 17 is indicated. The angular position of the spindle 12 can by means of a rotary encoder 31 be monitored.

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.The device 10 can now be used to microstructure the surface of a workpiece 16 be used so that the workpiece 16 by means of the spindle 12 around the spindle axis 25 is driven in rotation while the actuator 30 by means of the carriage 24 is positioned in the x direction and the tool 32 by means of the actuator 30 depending on the via the rotary encoder 31 detected angular position of the workpiece 16 and from the location coordinate of the actor 30 is delivered in the x direction to the workpiece surface. In this way, a microstructure tation of the workpiece surface can be achieved, with non-rotationally symmetric surface structures can be produced with high precision.

Mit dem anhand von 1 beschriebenen Aufbau lässt sich eine Bearbeitung von Werkstücken nach der Art des Plandrehens erreichen, 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.With the help of 1 described structure can be a machining of workpieces on the type of facing achieved, that is, the workpiece is driven in rotation and the tool 32 is transverse to the spindle axis mainly in the horizontal direction (x-direction) or radially to the workpiece 16 moves while the fast feed motion of the actuator 30 in z-direction, ie in the direction of the spindle axis 25 , he follows. In addition, of course, movements in other directions are possible, for example in the z-direction for turning contours.

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.It is understood that a workpiece machining on the type of longitudinal rotation is possible. For this purpose, the positioning movement for the actuator 30 by means of the drive 20 in the z direction while the actuator 30 a delivery movement in a plane perpendicular thereto (x- / y-plane) allows. Conveniently, this is the actuator on the carriage 24 positioned so that the piezo axis is aligned in the x direction (or possibly in the y direction). With such an arrangement, therefore, a microstructuring of a workpiece on the outer surface (or optionally on the inner surface) could be carried out according to the type of outer circumferential rotation or inner circumferential rotation.

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.The special structure of the actuator, which is very fast against a restoring force in the direction of the piezoelectric axis, but has a high rigidity in a plane perpendicular to the piezoelectric axis, is described below with reference to FIG 2 and 3 described in more detail.

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 Axialrichtung 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.The in the 2 and 3 shown in total with the numeral 30 designated actuator consists essentially of a piezo drive 36 , which is accommodated on a housing and the via a guide device 38 on a tool 32 acts. The piezo drive 36 allows only a movement in the axial direction of the piezoelectric drive, but can generate in a plane perpendicular thereto no restoring forces. By means of the guide device 38 is now ensured that positioning movements of the piezo drive 36 in its axial direction directly on the tool 32 that can be transmitted to the entire actuator 30 However, in a plane perpendicular to the piezoelectric axis has a high rigidity.

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.For this purpose, the guide device 38 a pestle 40 on, whose ram axis 41 as exactly as possible with the longitudinal axis 37 of the piezo drive 36 is aligned. The pestle 40 is against the force of first spring elements 44 and second spring elements 48 in the direction of its ram axis 41 movable in the axial direction, but is due to the special design and clamping of the spring elements 44 . 48 in a plane perpendicular to the ram axis 41 practically relentlessly hung. At the spring elements 44 respectively. 48 it is leaf springs made of wide spring steel of low strength, as it is known as a feeler gauge band. These leaf springs are firmly clamped at their outer ends on holders, while the plunger 40 is fastened in its center. The first spring elements 44 are between ring-shaped holders 45 . 46 clamped while the second spring elements 48 between ring-shaped holders 49 . 50 are clamped.

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 pneumatisch 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.Overall, this results in a possible axial deflection of the plunger in the order of about 0.5 mm, while the plunger 40 with a very high rigidity in a plane perpendicular to it (static stiffness greater than 100 N / μm). The necessary restoring force on the piezo drive 36 is not generated mechanically but pneumatically in the case shown. This is the plunger 40 within a housing 64 hung so that a hermetically sealed to the outside cavity 72 is reached, which via a compressed air connection 74 can be acted upon with compressed air. The cavity 72 is in the axial direction through a first membrane 68 at his the piezo drive 36 facing end and through a second membrane 70 sealed at the tool end. Here, the outward (to the ambient air) towards effective membrane diameter in the first membrane 68 that the piezo drive 36 facing, significantly larger than the membrane diameter 70 on the opposite side. This results in a pressure difference through which with the two membranes 68 . 70 in the center connected ram 40 in the direction of the piezo drive 36 is biased. The preload force, which is naturally greater than that of the piezo drive 36 should be generated acceleration forces by choosing the area ratios of the membranes 68 . 70 and adjusted by the applied pressure.

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.The membranes 68 . 70 are preferably made of relatively rigid aluminum elements and lie on their outer circumference in each case on a thin counter-membrane 69 respectively. 71 which is due to the overpressure in the cavity 72 against the membrane 68 respectively. 70 presses. Further, at the axial end of the cavity 72 , which faces the piezo drive, with a very small distance to the counter-membrane 69 a largely over the entire cross-section of the cavity 72 extending sintered metal plate 66 held. The sintered metal plate 66 For example, it is made of sintered steel and has a certain amount of open porosity.

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.In this way, the sintered metal plate 36 permeable to air in the cavity 72 prevailing internal pressure on the membrane 68 However, due to the thin channels formed by the open porosity, resulting in significant damping, whereby the effects of Schnittkraftrauschens in the operation of the actuator can be significantly reduced.

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.The tool 32 itself can be designed as a cutting plate, for example, on a tool holder 42 is fixed, the (by means of a screw, not shown) at the outer axial end of the plunger 40 is attached, at the same time the attachment to the second spring elements 48 in the form of the crossed leaf springs. The opposite end of the pestle 40 is with the first two intersecting spring elements 44 firmly connected. This purpose is a screw 80 extending through corresponding central recesses of the two intersecting spring elements 44 through with the interposition of a spacer 76 and an intermediate piece 78 in the end of the pestle 40 extends into it and is screwed.

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.The piezo drive 36 is at his the pestle 40 opposite end via a piezoelectric receiver 62 with a tail 60 rigidly bolted. At his the pestle 40 facing the piezoelectric actuator is located 36 over a ball 82 via a centering 86 on the screw 80 at. In this way, any radial forces on the piezo drive 36 avoided, resulting from an alignment error between the longitudinal axis 37 the piezo drive 36 and the ram axis 41 could be conditional. This ensures that the piezo drive 36 only in the direction of its longitudinal axis 37 is claimed.

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.The from the piezo drive 36 and its suspension with tail 60 formed unit is over threaded bolt 52 with the interposition of spacer sleeves 54 directly through the holder 45 . 46 screwed through.

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.Overall, this results in a compact actuator 30 in which the piezo drive 36 is movable against a pneumatic restoring force in the axial direction and in a plane perpendicular thereto has a high rigidity.

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.On the description of additional measures, such as a complete splash guard to protect the piezo drive 36 against cutting oil during turning, is omitted here, since these are familiar to the expert.

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 kompen siert. 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.A modification of the connection between piezo drive 36 and pestles 40 is out 2a to see. Here, too, is between the piezo drive 36 and the pestle 40 a compensation element 43 provided, the alignment error between the longitudinal axis 37 of the piezo drive 36 and the ram axis 41 compen siert. Here, however, is the compensation element 43 as a constriction 47 formed directly with an end plate 39 of the piezo drive 36 and with the pestle 40 is coupled and so a direct, but laterally yielding connection between piezo drive 36 and pestles 40 manufactures.

In 3 ist zusätzlich noch ein seitlicher Tragarm 84 erkennbar, mittels dessen der Aktor 30 befestigt werden kann, etwa an dem Schlitten 24.In 3 is additionally a lateral support arm 84 recognizable, by means of which the actuator 30 can be attached, such as the carriage 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.In 4 is now the measured frequency response and working range of the actuator according to the 2 and 3 shown. In the present case was as a piezo drive 36 a piezocrystal of 40 μm maximum delivery is used. The piezo drive 36 was excited with an amplitude of 1 V in a frequency range of 0 to 4000 Hz. The path as a function of the excitation voltage is in the upper diagram of 4 shown. That's right on the tool 32 recorded vibrometer path signal shows a very constant amplitude response of about 2.5 microns / V from 0 to about 2250 Hz. The first resonant frequency is about 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.In the lower part of the diagram of 4 the phase response is shown as a function of the frequency. This results in a very linear phase response from 0 to 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.Of the Inventive actuator is therefore special due to its very good dynamic properties suitable for the microstructuring of surfaces, in particular for the machining of hard materials with high Cutting speeds must be edited. It can be, for example at a structure amplitude of 5 μm delivery frequencies up to about 2.25 kHz, realize. At higher Delivery amplitudes or very high material removal is the maximum Delivery frequency slightly lower. A further improvement of the dynamics by using a conventional closed-loop control (instead of the used open-loop control) does not seem necessary and would be due to the measured phase response not just below the Resonant frequency possible.

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.The maximum travel of the actuator used 30 is about 40 microns, so that the resonance frequency is about 2400 Hz. For many applications, however, a piezo drive with a maximum travel of 20 microns would be sufficient. This would result in an increase of the lowest resonance frequency to about 3.5 kHz.

Zur Erzeugung einer mikrostrukturierten Oberfläche auf einem von der Spindel 12 rotierend angetriebenen Werkstück 16 mittels des von dem Aktor 30 angetriebenen Werkzeugs 32 wird grundsätzlich in folgenden Schritten vorgegangen:

(a) Es wird zunächst eine Soll-Mikrostruktur für ein zu bearbeitendes Werkstück 16 bereitgestellt.
(b) Die Soll-Mikrostruktur wird dann in eine Datei in Form einer Look-Up-Tabelle (LUT) transformiert, 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) Dann wird eine Ortsfrequenzanalyse der Soll-Mikrostruktur erstellt und eine maximale 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 erstellt.
(d) Nun wird die Schnittgeschwindigkeit v zur Drehbearbeitung des Werkstücks 16 derart eingestellt, dass die maximale Grenzfrequenz f_G der Soll-Mikrostruktur unterhalb der ersten Resonanzfrequenz f_R des Aktors 30 liegt f_G<f_R.
(e) Schließlich wird die Spindel 12 angetrieben und Positionierung der Aktor 30 linear entlang der Werkstückoberfläche bewegt; dabei wird das Werkstück 16 durch Zustellen des Werkzeugs 32 gegen die Werkstückoberfläche mittels des Aktors 30 gemäß der aus der LUT abgeleiteten Stellwerte in Abhängigkeit von der Schnittgeschwindigkeit v, vom Drehwinkel c und vom Vorschubweg n des Aktors entlang der Werkstückoberfläche mikrostrukturiert.

To create a microstructured surface on one of the spindle 12 rotating driven workpiece 16 by means of the of the Ak gate 30 driven tool 32 The procedure is basically the following:

(a) First, a desired microstructure for a workpiece to be machined 16 provided.
(b) The desired microstructure is then transformed into a file in the form of a look-up table (LUT), which is dependent on the angle of rotation c of the workpiece 16 and from the linear feed path n of the tool along the workpiece surface actuating positions G (c, n) in a working direction perpendicular thereto for actuator controlled actuating movement of the tool 16 includes.
(c) Then, a spatial frequency analysis of the target microstructure is created and a maximum limit frequency f _{G of} the signal for the parking position G (c, n) depending on the rotation angle c, the linear feed n of the actuator along the workpiece surface and the cutting speed v created ,
(d) Now, the cutting speed v becomes the turning work of the workpiece 16 set such that the maximum limit frequency f _{G of} the target microstructure below the first resonant frequency f _{R of} the actuator 30 is f _G <f _R.
(e) Finally, the spindle 12 driven and positioning the actuator 30 moved linearly along the workpiece surface; while the workpiece is 16 by delivering the tool 32 against the workpiece surface by means of the actuator 30 microstructured in accordance with the control values derived from the LUT as a function of the cutting speed v, the rotational angle c and the feed path n of the actuator along the workpiece surface.

Die Auswahl richtiger Bearbeitungsbedingungen für die Erzeugung einer Mikrolinsenstruktur wird nun anhand der 5 bis 7 näher erläutert.The selection of correct processing conditions for the generation of a microlens structure will now be described with reference to FIG 5 to 7 explained in more detail.

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.The actor 30 who previously based on the 2 to 4 was described in more detail in connection with a 1978 indexing lathe having a high precision spindle with a concentricity error of the order of 0.4 μm.

Die Vorrichtung wurde zur Herstellung einer Form für das Heißpressen von Linsen für PES-Scheinwerfer verwendet. Zur Einhal tung 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.The Device was used to make a mold for hot pressing lenses for PES headlights used. To comply with certain light distribution properties in this case, the lens in question must be selected in selected surface areas be provided with a microstructuring in the form of microlenses. Such a microstructured or "frosted" lens becomes special Light distribution properties when used in the relevant Poly ellipsoid headlights reached. The predetermined in the form microstructured surface is transferred to the lens surface by hot pressing in the manufacture of the lens.

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.In 5 is now an enlarged detail of such a microlens structure shown. On the vertical axis here the gray value of h _{min is represented} by 0 and h _max by 255, which corresponds to a structure depth of 0 to about 10 microns.

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 „überge stülpt". 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.Such a structure can also be generated by a randomly generated dot pattern folded with a binomial filter. To produce such a structure, which in 6 For example, in an image of size 801 pixels by 801 pixels, individual pixels may be randomly addressed. If no point has been previously addressed at a spatial distance of n pixels (ie all gray values of the neighboring pixels in this radius are 0), then the gray value at the addressed pixel is set to 1. The random number generator runs through this hundreds of thousands of times. This results in an image with randomly arranged points of the gray value 1, wherein two adjacent points do not fall below this one limit distance. This image is then folded two-dimensionally with the binomial filter, possibly several times. Figuratively speaking, the binomial filter in the center is in each case "superimposed" over the individual points with the gray value 1. This produces an image with the randomly arranged "mountains" and "valleys", which very well conforms to the shape of a microlens structure 5 simulated. Since such a binomial filter has low-pass characteristics, the overall picture also has low-pass characteristics. This comes from the production by the actuator used 30 very contrary.

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 the case shown, the in 5 respectively. 6 shown microstructure now by means of the actuator 30 be introduced in the facing process in the surface of the mold. It is understood that in this case a conversion of the given in Cartesian coordinates target microstructure in a polar coordinate system is necessary. This structure converted into polar coordinates can be stored, for example, in the form of a look-up table (LUT). It specifies the manipulated variable G (c, n) for the actuator as a function of the angle of rotation (c) and of the position (n) of the actuator in the radial direction.

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.In 7 Now a spatial frequency analysis is shown, which is based on a structure according to 6 was created. In this case, the spatial frequency is recorded on the outer circumference of the structure to be examined (in the case shown at a radius of 34 mm) by means of a Fourier analysis FFT (Fast Fourier Transformation). In the illustrated surface spectrum over a circumferential section shows that the spatial frequency response from zero to about two periods per millimeter is relatively constant. From about 2.8 structures per millimeter, the spatial frequency response is close to zero.

Die untere Abbildung von 7 zeigt nun die Umrechnung des mittels der FFT-Analyse aufgenommenen Ortsfrequenzgangs in einen Schwingungsfrequenzgang unter der Annahme einer Schnitt geschwindigkeit 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.The bottom picture of 7 now shows the Conversion of recorded by means of FFT analysis spatial frequency response in a vibration frequency response assuming a cutting speed of the tool of 50 m / min. This results in a linear decrease of the spatial frequency response to near zero from about 2,350 Hz, while up to about 1.7 kHz a very linear phase response is present.

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.According to the invention, the cutting speed is chosen so that at the first resonant frequency of the actuator, the according to 4 at around 2,400 Hz, the amplitude response has dropped to zero. Thus, with the chosen structure, a cutting speed of 50 meters per minute can be selected, since in this case the spatial frequency response at approximately 2,350 Hz has fallen to almost zero. The target surface generated by the random generator according to 6 according to the spatial structure 5 corresponds, thus has the amplitude response of a low-pass limited white noise and can with the actuator according to the invention 30 advantageous with a cutting speed of about 50 m / min. be generated. Thus, the machining of very hard metal materials, such as hard metals is possible, which require a sufficiently high cutting speed, otherwise vibrations occur.

8 zeigt die grundsätzliche Steuerung der Vorrichtung 10 zur Mikrostrukturierung bei einer Bearbeitung nach der Art des Plandrehens. 8th shows the basic control of the device 10 for microstructuring during machining according to the type of facing.

Zunächst wird eine stochastische Mikrolinsenstruktur erzeugt (vgl. 5 bzw. 6). Alternativ können natürlich andere Strukturen abgebildet werden, wie etwa umgerechnete Fotografien, Symbole etc.First, a stochastic microlens structure is generated (cf. 5 respectively. 6 ). Alternatively, of course, other structures can be mapped, such as converted photographs, symbols, etc.

Diese Strukturen werden sodann in Polarkoordinaten transformiert.These Structures are then transformed into polar coordinates.

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.Based on a spatial frequency analysis, the selection of the machining conditions and a simulation of the machining then takes place. With a suitable cutting speed, the necessary actuating signals for the actuator and for the positioning of the actuator in the radial direction are then generated by a real-time computer for actuator control, which can be a PC with a signal processor card. The real-time computer evaluates this from the encoder 31 generated encoder pulses for the axis of rotation and generated by another encoder for the radial axis pulses and generates the start and end pulse for processing.

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.at the spatial frequency analysis is determined which cutoff frequency the having generating target microstructure. Returns the spatial frequency analysis one very high cutoff frequency, so leads this means that only a very low cutting speed can be selected can to ensure that the maximum cutoff frequency below the first resonant frequency of the actuator is located. This would be for example the case when the target microstructure to be generated has sharp edges or the like having.

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.In In this case, it makes sense to the first to be generated by the microstructure a low-pass filter or band-pass filter, for example by a Smooth Sobel filter so as to obtain a low-pass filtered signal that is advantageous Way with the actuator system according to the invention can be edited.

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.The desired microstructure to be generated (cf. 6 ) should be square and odd in pixel representation, for example 801 by 801 pixels. From this square structure, a circle with a diameter of 801 pixels can be machined during turning. In order to obtain square pixels also at the outer edge of the image in the polar coordinates, the image format should correspond approximately to the resolution of the rotary encoder of the spindle axis divided by PI (the pixel accuracy). If a depth specification of 1 byte (= 255 gray scales) is selected, a rotary encoder with 2,500 increments can be used, for example. By way of example, the 255 greyscales should correspond to a depth of 0 to 10 μm later in the depth infeed of the actuator.

In 9 ist nun der zugehörige Algorithmus für eine derartige Bearbeitung dargestellt.In 9 Now the associated algorithm for such a processing is shown.

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.The The target microstructure to be generated is converted into polar coordinates and as polar coordinate image G (c, n) as 2.500 × 401 pixel LUT stored, with the manipulated value for the actuator with the accuracy of 1 byte is specified. The manipulated variable G can thus have values between Assume 0 and 255, which is a deflection of the actuator between 0 and maximum 40 μm correspond may or even a smaller range, for example, from 0 to 10 μm.

Das Polarkoordinatenbild gemäß 9 wird in der LUT im BMP-Format gespeichert.The polar coordinate image according to 9 is stored in the LUT in BMP format.

Die Winkelposition der Spindel 12 wird gemäß 9 mittels des Drehgebers Spindel C erfasst und ausgehend von einem An fangswert „Initiator Spindel" nach Umsetzung in einen Digitalwert über den Flankenzähler erfasst und als „c-Wert" verarbeitet.The angular position of the spindle 12 is according to 9 detected by means of the encoder spindle C and detected from an initial value "initiator spindle" after conversion into a digital value via the edge counter and processed as a "c value".

Auch die Radialposition des Aktors wird über einen Drehgeber Y erfasst und nach Umsetzung in einen Digitalwert über einen Flankenzähler verarbeitet.Also The radial position of the actuator is detected by a rotary encoder Y. and processed after conversion into a digital value via an edge counter.

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.The piezo drive is via a real time computer with the control values for the delivery in z-direction (distance from h _min to h _max ) driven. The amplifier receives its input values from the LUT and the values obtained from the angular position and radial position encoders via a digital-to-analog converter according to a suitable algorithm.

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.The amplifier input voltage U _min at g = 0 corresponds to h _min , while the amplifier input _voltage U _max at g = 255 corresponds to the maximum control value h _max . "Full radius" means the number of radial pulses when driving from R _max to R ₀ (ie from the outer radius to the center) 9 "floor (y)" is a rounding to the next even number.

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.With the in 9 1, the amplifier is controlled by the digital-to-analog converter based on the values from the LUT and the values of the spindle encoder C and the radial position rotary encoder Y.

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.In doing so, the algorithm uses interpolation for two radially adjacent pixels to smooth the amplifier input voltage as the actuator advances one pixel in the radial direction. As shown in the first box to the right of the polar coordinate image, the algorithm interpolates g = G (c, n + 1) * (1 - d) + G (c, n + 2) * d. This then results in the digital value u for the amplifier input voltage after u = U _min + g * (U _{max -U} _min ) / 255. This value is converted via the digital / analog converter into an analog value for controlling the amplifier.

Es findet also eine lineare Interpolation der Stellwerte bei in Radialrichtung nebeneinanderliegenden Pixeln statt, während für den Drehwinkel auf eine Interpolation verzichtet wird. Ruf diese Weise werden sonst erkennbare „Riefen" in Drehrichtung vermieden.It So finds a linear interpolation of the control values in the radial direction adjacent pixels, while for the rotation angle to an interpolation is waived. Reputation otherwise recognizable "grooves" in the direction of rotation are avoided.

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.For the control value at constant radial position no interpolation is necessary because the mechanical system of the actuator has a sufficiently high inertia, around in the circumferential direction of a smoothing to achieve.

In 10 ist ein gegenüber der Ausführung gemäß 2 leicht abgewandelte Ausführung eines erfindungsgemäßen Aktors in Längsschnitt dargestellt und insgesamt mit der Ziffer 30' bezeichnet. Dabei werden für entsprechende Teile entsprechende Bezugsziffern verwendet.In 10 is a respect to the execution according to 2 slightly modified version of an actuator according to the invention shown in longitudinal section and overall with the numeral 30 ' designated. Corresponding reference numerals are used for corresponding parts.

Der Aktor 30' entspricht in seinem Aufbau weitgehend dem zuvor an Hand von 2 beschriebenem Aktor 30. Im Unterschied zu der Ausführung gemäß 2 wurde der Werkzeughalter 42 nunmehr so angeordnet, dass das Werkzeug 32 genau mittig ausgerichtet ist. Dadurch lassen sich zur Axialrichtung senkrechte Kraftkomponenten die bei einer außermittigen Anordnung gemäß 2 auftreten, vermeiden. Auf diese Weise wird das Schnittkraftrauschen weiter vermindert.The actor 30 ' corresponds in its structure largely to the previously on hand of 2 described actuator 30 , Unlike the version according to 2 became the tool holder 42 now arranged so that the tool 32 is aligned exactly in the middle. As a result, perpendicular to the axial direction force components can be in an off-center arrangement according to 2 occur, avoid. In this way, the cutting noise is further reduced.

Ferner ist die Zentrierung zwischen dem Stößel 30' und dem Piezoantrieb 36 mit einer balligen Oberfläche 88 an der Schraube 80 und einer ebenen Gegenfläche 90 am Piezoantrieb 36 ausgebildet.Furthermore, the centering between the plunger 30 ' and the piezo drive 36 with a convex surface 88 on the screw 80 and a flat counter surface 90 at the piezo drive 36 educated.

Schließlich ist zusätzlich zwischen der Sinterplatte 66 und der Membran 68 bzw. der Gegenmembran 69 ein schmaler Spalt 73 einer Breite zwischen etwa 0,1 und 1 Millimeter, vorzugsweise zwischen 0,1 und 0,5 Millimeter ausgebildet, der mit einem Dämpfungsmedium gefüllt ist. Hierbei kann es sich beispielsweise um Luft, Fett oder Öl handeln.Finally, in addition, between the sintered plate 66 and the membrane 68 or the counter-membrane 69 a narrow gap 73 a width between about 0.1 and 1 millimeter, preferably formed between 0.1 and 0.5 millimeters, which is filled with a damping medium. This may be, for example, air, grease or oil.

Auch hierdurch wird das Schnittkraftrauschen weiter reduziert.Also This further reduces the cutting force noise.

Claims

Device for producing microstructures, with one around its longitudinal axis ( 25 ) rotatably driven spindle ( 12 ), at which a receptacle for clamping a workpiece ( 16 ) is provided with an actuator ( 30 ), which has a fast drive ( 36 ) for generating a fast movement of a tool ( 32 ) in a direction substantially perpendicular to the workpiece surface direction, wherein the actuator ( 30 ) by means of a further drive ( 24 ) is positionable to produce a linear feed in a first direction (x) along a workpiece surface to be machined, characterized in that the fast drive ( 36 ) with the tool ( 32 ) via a management facility ( 38 ), which is a delivery of the tool ( 32 ) in the axial direction of the fast drive ( 36 ) against a restoring force allowed and in a plane perpendicular to a high rigidity.

Device according to claim 1, characterized in that that the fast drive is designed as a piezo drive.

Apparatus according to claim 1 or 2, characterized in that the guide device ( 38 ) in a plane perpendicular to the feed direction of the guide device ( 38 ) has a static stiffness of at least 50 N / μm, preferably of at least 100 N / μm.

Apparatus according to claim 1, 2 or 3, characterized in that the guide device ( 38 ) a pestle ( 40 ), which on first and second spring elements ( 44 . 48 ) kept movable is, wherein the spring elements ( 44 . 48 ) in the radial direction of the plunger ( 40 ) are largely unyielding, but perpendicular thereto in the direction of the plunger axis ( 41 ) a deflection against the spring force of the spring elements ( 44 . 48 ) allow.

Device according to claim 4, characterized in that the spring elements ( 44 . 48 ) are formed as leaf springs which at their two longitudinal ends on holders ( 45 . 46 . 49 . 50 ) are clamped and are movable transversely.

Device according to claim 5, characterized in that the spring elements ( 44 . 48 ) consist of feeler bands, which are crossed in the radial direction between the holder ( 45 . 46 . 49 . 50 ) and the plunger ( 40 ) are clamped.

Device according to one of claims 1 to 4, characterized that the spring elements in particular as radially symmetric discs are formed in the form of disc springs.

Device according to one of claims 4 to 7, characterized in that the tool ( 32 ) at a first end of the plunger ( 40 ) and that the plunger ( 40 ) at his the tool ( 32 ) opposite second end against the fast drive ( 36 ) is biased.

Apparatus according to claim 8, characterized in that the plunger ( 40 ) by a fluid pressure or spring pressure against the fast drive ( 36 ) is biased.

Apparatus according to claim 9, characterized in that the plunger ( 40 ) in a housing ( 64 ), and that the plunger ( 40 ) with the housing ( 64 ) a pressure-sealed space ( 72 ), which is acted upon by a fluid pressure, wherein the space ( 72 ) over a first with the plunger ( 40 ) connected membrane ( 68 ) on the piezo side and a second with the plunger ( 40 ) connected membrane ( 70 ) is sealed on the tool side in the axial direction to the outside, wherein the first membrane ( 68 ) has a larger effective area exposed to the fluid pressure than the second membrane ( 70 ) having.

Device according to claim 10, characterized in that at least one of the membranes ( 68 . 70 ) consists of aluminum.

Device according to one of claims 2 to 11, characterized in that the piezo drive ( 36 ) at his the pestle ( 40 ) facing away from the first end of a receptacle ( 60 ) is clamped, and with its first end opposite the second end via a compensation element ( 43 . 82 ), the alignment error between the ram axis ( 41 ) and the longitudinal axis ( 37 ) of the piezo drive ( 36 ) compensated, with the plunger ( 40 ) is coupled.

Apparatus according to claim 12, characterized in that the second end of the piezo drive ( 36 ) via a convex element, in particular a ball ( 82 ) or a crowned element, on the plunger ( 40 ) is present.

Apparatus according to claim 12, characterized in that the piezo drive ( 36 ) at its second end by an end plate ( 39 ), which has a constriction ( 47 ) with the plunger ( 40 ) is coupled.

Device according to one of claims 10 to 14, characterized in that the housing ( 64 ) at least one of a sintered material, preferably a sintered metal, existing damping element ( 66 ) having.

Apparatus according to claim 13, characterized in that the damping element ( 66 ) has a proportion of open porosity.

Apparatus according to claim 15 or 16, characterized in that between the damping element ( 66 ) and the facing membrane ( 69 ) A gap ( 73 ) is formed, which is filled with a damping agent.

Device according to claim 17, characterized in that that the gap is filled with air, grease or oil as a damping agent and preferably has a thickness of 0.1 to 1 millimeter.

Device according to one of the preceding claims, characterized in that the drive ( 24 ) an advance in one direction (x) perpendicular to the spindle axis ( 25 ) and that the actuator ( 30 ) a movement of the tool ( 32 ) in the direction (z) of the spindle axis ( 25 ) allowed.

Device according to one of claims 1 to 18, characterized in that the drive ( 20 ) a feed in one to the spindle axis ( 25 ) parallel direction (z), and that the actuator ( 30 ) a movement of the tool ( 32 ) perpendicular to it (x, y).

Device according to one of the preceding claims, characterized in that an electronic control ( 17 ) for controlling the movement of the actuator ( 30 ) is provided, which controls the movement of the actuator ( 30 ) in dependence on the angular position (c) of the workpiece ( 16 ) and the position (s) of the actuator ( 30 ) along the first direction (x) relative to the workpiece ( 16 ) controls.

Apparatus according to claim 21, characterized ge indicates that the controller ( 17 ) has a means for transforming a predetermined target microstructure of the workpiece into a coordinate-transformed structure, in which the control values (G (c, n)) for the actuator ( 30 ) depending on the rotation angle (c) and the linear feed (n) in the first direction (x) along the workpiece surface are included.

Device according to claim 20 and 22, characterized in that the controller ( 17 ) means for transforming a target microstructure of the workpiece given in Cartesian coordinates ( 16 ) is provided in a coordinate-transformed structure in polar coordinates, in which the manipulated values (G (c, n)) are stored as a function of polar coordinates (c, n) which contain the angle of rotation (c) and the radius (n).

Device according to claim 22 or 23, characterized in that the coordinate-transformed structure can be stored in a look-up table (LUT), from which the electronic control system ( 17 ) derives a control signal (h) that an amplifier for controlling the actuator ( 30 ) is supplied.

Apparatus according to claim 24, characterized in that the electronic control ( 17 ) Means for interpolating the control signal supplied to the amplifier in dependence on position increments of the linear feed (s) in the first direction (x).

Device according to one of the preceding claims, characterized in that the actuator ( 30 ) has a first resonant frequency (f _R ) of at least 1500 Hz, preferably of at least 2000 Hz, more preferably of at least 3000 Hz, and in that the control device ( 17 ) is adapted to the actuator ( 30 ) supply a low-pass filtered or band-pass filtered signal whose upper limit frequency (f _G ) below the resonance frequency (f _R ) of the actuator ( 30 ) lies.

Actuator ( 30 ) for moving a tool on a lathe ( 10 ) for producing a microstructured surface by means of a fast drive, in particular a piezo drive ( 36 ), characterized in that the fast drive ( 36 ) with the tool ( 32 ) via a management facility ( 38 ), which is a delivery of the tool ( 32 ) in the axial direction of the fast drive ( 36 ) against a restoring force allowed and in a plane perpendicular to a high rigidity.