AT525939A2

AT525939A2 - Positioniervorrichtung und Verfahren zum Positionieren eines Gegenstandes

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Publication number: AT525939A2
Application number: ATA50106/2022A
Authority: AT
Original assignee: Univ Wien Tech
Priority date: 2022-02-16
Filing date: 2022-02-16
Publication date: 2023-09-15
Also published as: WO2023154972A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Positioniervorrichtung (1) zum Posi- tionieren eines Gegenstandes, aufweisend: ein bewegliches Positionierungsteil (3); ein feststehendes Basisteil (2) mit einem ersten Permanent- magneten (5) zur Ausübung einer permanentmagnetischen Haltekraft (FHalte) von dem Basisteil (2) auf das Positionierungsteil (3), wobei der erste Permanentmagnet (5) eine erste Koerzitivfeld- stärke (Hc1) besitzt; einen Aktuator (8) zum Verändern einer Position (P) des Po- sitionierungsteils (3); und eine Regelungseinrichtung (9), die dazu eingerichtet ist, die Position (P) des Positionierungsteils (3) mit Hilfe des Ak- tuators (8) zu regeln, wobei das Basisteil (2) einen zweiten Permanentmagneten (6) mit einer im Vergleich zur ersten Koerzitivfeldstärke (Hc1) ge- ringeren zweiten Koerzitivfeldstärke (Hc2) und eine elektrische Einstellwicklung (14) aufweist, wobei mit Hilfe der Einstell- wicklung (14) die Magnetisierung des zweiten Permanentmagneten (6) einstellbar ist, um die permanentmagnetische Haltekraft (FHalte) von dem Basisteil (2) auf das Positionierungsteil (3) zu verändern. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Positionierverfahren.

Description

Die Erfindung betrifft eine Positioniervorrichtung zum Positionieren eines Gegenstandes, insbesondere eines Messgeräts oder eines Werkzeugs, wobei die Positioniervorrichtung folgendes aufweist:

ein bewegliches Positionierungsteil;

ein feststehendes Basisteil mit einem ersten Permanentmagneten zur Ausübung einer permanentmagnetischen Haltekraft von dem Basisteil auf das Positionierungsteil, wobei der erste Permanentmagnet eine erste Koerzitivfeldstärke besitzt;

einen Aktuator zum Verändern einer Position des Positionierungsteils relativ zu dem Basisteil; und

eine Regelungseinrichtung, die dazu eingerichtet ist, die Position des Positionierungsteils relativ zu dem Basisteil mit-

hilfe des Aktuators zu regeln.

Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Positioniersystem und

Positionierverfahren.

Bei Präzisionsanwendungen im Millimeter- oder Mikrometerbereich kann es notwendig sein, einen Gegenstand, wie zum Beispiel eine Messeinrichtung oder ein Werkzeug, an einer vorgegebenen Posi-

tion zu halten oder einer vorgegebenen Trajektorie nachzuführen. Äußere Störeinflüsse, wie mechanische Störschwingen oder externe Krafteinwirkungen, sollen dabei möglichst verhindert bzw. unter-

drückt werden.

Positioniervorrichtungen der eingangs erwähnten Art haben sich

für Präzisionsanwendungen als vorteilhaft erwiesen, da sie eine weitgehende Entkoppelung des Positionierungsteils vom Basisteil sowie eine exakte Positionsregelung des Positionierungsteils ermöglichen. Mechanische Schwingungen aus der Umgebung können vom Aktuator unterdrückt und dadurch deren Übertragung auf das Positionierungsteil verhindert werden. Mit Hilfe des Permanentmagneten am Basisteil kann die Gewichtskraft des Positionierungsteils kompensiert werden, sodass der Aktuator nur geringe Ausgleichsströme zur Stabilisierung des an sich instabilen Systems benö-

tigt. Wenn Jedoch die Gewichtskraft des Positionierungsteils erhöht wird oder eine zusätzliche externe Krafteinwirkung auf das Positionierungsteil vorliegt, beispielsweise nach Wechseln eines

vom Positionierungsteil gehaltenen Werkzeugs oder Messgeräts,

muss das Positionierungsteil näher an das Basisteil herangeführt werden, um weiterhin eine Kompensation der auftretenden (Gewichts-)Kraft durch den Permanentmagneten zu ermöglichen. Bei manchen Anwendungen kann es Jedoch erforderlich oder wünschenswert sein, dass das Positionierungsteil und das Basisteil den Abstand zueinander unverändert beibehalten. In diesem Fall muss der Aktuator eine zusätzliche Haltekraft durch einen Ausgleichsstrom zur Verfügung stellen, um das Positionierungsteil an der ursprünglichen Position zu halten, was einen zusätzlichen Energieaufwand zur Folge hat. Durch das Fließen eines Ausgleichsstromes, auch als Offset-Strom bezeichnet, kann sich die Positi-

oniervorrichtung auch nachteiligerweise erwärmen.

Eine Prinzipdarstellung und eine Umsetzung einer Positioniervorrichtung der eingangs erwähnten Art ist beispielsweise in Mizuno, Takeshi and Yuichiro Takemori. “A transfer-function approach to the analysis and design of zero-power controllers for magnetic suspension systems.” Electrical Engineering in Japan 141 (2002): 67-75 gezeigt.

Eine weitere Positioniervorrichtung ist aus S. Ito, S. Troppmair, B. Lindner, F. Cigarini and G. Schitter, "Long-Range Fast Nanopositioner Using Nonlinearities of Hybrid Reluctance Actuator for Energy Efficiency," in IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 66, no. 4, pp. 3051-3059, April 2019, doi: 10.1109/TI1E.2018.2842735 bekannt.

Im Lichte dieser Ausführungen ist es Aufgabe der Erfindung, die Nachteile des Standes der Technik zumindest teilweise zu lindern oder gänzlich zu beseitigen. Vorzugsweise ist es Aufgabe der Erfindung, eine Positioniervorrichtung und ein Verfahren der eingangs erwähnten Art zur Verfügung zu stellen, bei denen auch eine zusätzliche auf das Positionierungsteil einwirkende (Gewichts-)Kraft ohne einen permanenten Ausgleichsstrom in dem zumindest einen Aktuator unter Beibehaltung der Position des Positionierungsteils relativ zu dem Basisteil kompensiert werden

kann.

Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Positioniervorrichtung nach

Anspruch 1 und ein Verfahren nach Anspruch 18. Ein

Positioniersystem ist in Anspruch 17 angegeben.

Erfindungsgemäß ist bei einer Positioniervorrichtung der eingangs erwähnten Art vorgesehen, dass das Basisteil einen zweiten Permanentmagneten mit einer im Vergleich zur ersten Koerzitivfeldstärke geringeren zweiten Koerzitivfeldstärke und eine elektrische Einstellwicklung aufweist, wobei mit Hilfe der Einstellwicklung die Magnetisierung des zweiten Permanentmagneten einstellbar ist, um die permanentmagnetische Haltekraft von dem Basisteil auf das Positionierungsteil zu verändern. Dadurch kann die permanentmagnetische Haltekraft, die vom Basisteil auf das Positionierungsteil wirkt, an eine gegebenenfalls veränderte Gewichtskraft des Positionierungsteils oder an eine allfällige, zusätzlich einwirkende externe Krafteinwirkung angepasst werden. Eine Gewichtskraft und eine auf das Positionierungsteil einwirkende externe Krafteinwirkung können somit bei einer bevorzugten Ausführungsform unter Beibehaltung der ursprünglichen Position des Positionierungsteils relativ zu dem Basisteil kompensiert werden, ohne dass permanente Ausgleichsströme („OffsetStröme“) in dem Aktuator erforderlich sind, wie dies beim Stand der Technik bisher der Fall ist. Es sind nur kleine Ausgleichströme zur Stabilisierung des Positionierungsteils und gegebenenfalls zur Unterdrückung von Schwingungen notwendig. Vorteilhafterweise kann damit der Energieverbrauch reduziert werden, auch wenn das Positionierungsteil an der ursprünglichen Position relativ zum Basisteil verbleibt. Durch die Veränderung der permanentmagnetischen Haltekraft ist es auch möglich, jene Position des Positionierungsteils relativ zu dem Basisteil, an der die Gewichtskraft und eine allfällige externe Krafteinwirkung auf das Positionierungsteil kompensiert werden, zu verändern. Die genannte Position kann auch als Kompensationsposition bezeichnet werden. Beispielsweise kann der Abstand der Kompensationsposition zum Basisteil vergrößert werden, indem die permanentmagnetische Haltekraft erhöht wird. Umgekehrt kann der Abstand der Kompensationsposition zum Basisteil verringert werden, indem die permanentmagnetische Haltekraft verringert wird. Um die permanentmagnetische Haltekraft zu verändern, kann mithilfe der Einstellwicklung die Magnetisierung des zweiten Permanentmagneten, insbesondere die Richtung und Stärke der Magnetisierung, verän-

dert werden. Beispielsweise kann die Magnetisierung des zweiten

Permanentmagneten in die gleiche Richtung wie die Magnetisierung des ersten Permanentmagneten ausgerichtet werden, wodurch die Haltekraft des ersten Permanentmagneten verstärkt, insbesondere im Wesentlichen verdoppelt, werden kann. Die Magnetisierung des zweiten Permanentmagneten kann aber auch in die entgegengesetzte Richtung wie die Magnetisierung des ersten Permanentmagneten ausgerichtet sein, wodurch die Haltekraft des ersten Permanentmagneten abgeschwächt, insbesondere im Wesentlichen zu Null gemacht, werden kann. Natürlich sind auch Abstufungen dieser beiden Extrema (Verdoppelung und Kompensation der Haltekraft des ersten Permanentmagneten) möglich. Beispielsweise kann die Haltekraft des ersten Permanentmagneten durch die Veränderung der Magnetisierung des zweiten Permanentmagneten auch nur teilweise, beispielsweise zu einem Faktor 0,5, verstärkt oder abgeschwächt werden. Dies kann dadurch erfolgen, dass nicht alle Weissschen Bezirke des zweiten Permanentmagneten umorientiert werden. Wie stark und in welche Richtung die Magnetisierung des zweiten Permanentmagneten verändert wird, hängt von der Stärke, Dauer und Form des von der Einstellwicklung aufgebauten Magnetfeldes ab. Da die erste Koerzitivfeldstärke des ersten Permanentmagneten größer, vorzugsweise um zumindest den Faktor zwei oder mehr gröRer, als die zweite Koerzitivfeldstärke des zweiten Permanentmagneten ist, wird die Magnetisierung des ersten Permanentmagneten durch die Einstellwicklung im Wesentlichen nicht oder nur geringfügig beeinflusst. Der erste Permanentmagnet ist ein Hartmagnet. Beispielsweise kann der erste Permanentmagnet ein NdFeBPermanentmagnet (NdFeB: Neodym-Eisen-Bor) oder ein SmCo-Permanentmagnet (SmCo: Samarium-Cobalt) sein. Der zweite Permanentmagnet ist ein Weichmagnet. Beispielsweise kann der zweite Permanentmagnet ein AlNiCo-Permanentmagnet (AlNiCo: Aluminium-NiCkel-Kupfer) oder ein Ni-Permanentmagnet (Ni: Nickel) sein. Bevorzugt ist, wenn der Betrag der magnetischen Feldstärke des von der Einstellwicklung aufgebauten magnetischen Feldes 2-mal bis 7-mal, vorzugsweise 3-mal bis 5-mal, so hoch ist wie der Betrag der zweiten Koerzitivfeldstärke. Der erste und der zweite Permanentmagnet sind bevorzugt magnetisch parallel am Basisteil angeordnet. Der von dem ersten und dem zweiten Permanentmagneten erzeugte magnetische Fluss wird vorzugsweise durch ferromagnetische Strukturteile des Basisteils in Richtung des Positionie-

rungsteils und vom Positionierungsteil in Richtung der

Permanentmagnete geleitet. Die ferromagnetischen Strukturteile können ein ferromagnetisches Joch bilden. Um die Beweglichkeit des Positionierungsteils gegenüber dem Basisteil zu ermöglichen, sind zwischen dem Positionierungsteil und dem Basisteil ein oder mehrere Luftspalte vorgesehen. Wenn eine permanentmagnetische Haltekraft auf das Positionierungsteil ausgeübt wird, schließt sich der magnetische Fluss über den bzw. die Luftspalte und das Positionierungsteil. Die Einstellwicklung kann sowohl den ersten, als auch den zweiten Permanentmagneten umgeben. Eine Beeinflussung der Magnetisierung des ersten Permanentmagneten findet auch bei einer Umwicklung des ersten und des zweiten Permanentmagneten aus den oben genannten Gründen nicht statt. Bei einer alternativen Ausführungsform ist ausschließlich der zweite Permanentmagnet von der Einstellwicklung umwickelt, nicht aber der erste Permanentmagnet. Die Kombination zweier Permanentmagnete unterschiedlicher Koerzitivfeldstärken und einer Einstellwicklung, um das nach Außen auftretende magnetische Feld vollständig ein- oder auszuschalten, ist aus anderen technischen Gebieten unter dem Begriff „Elektropermanentmagnet“, kurz EPM, bekannt. EPMs werden zum Beispiel bei Schrittmotoren, Ventilen oder bei Operationswerkzeugen eingesetzt und sind beispielsweise in P. Ward and D. Liu, "Design of a high capacity Electro Permanent Magnetic adhesion for climbing robots," 2012 IEEE International Conference on Robotics and Biomimetics (ROBIO), 2012, pp. 217222 näher beschrieben. Im Stand der Technik können EPMs lediglich vollständig ein- oder ausgeschaltet werden. Bei der vorliegenden Erfindung sind jedoch auch kontinuierliche oder diskrete Zwischenschritte der Magnetisierung des zweiten Permanentmagneten möglich. Der Grad der Magnetisierung hängt von dem von der Einstellwicklung erzeugten Magnetfeld, insbesondere von dessen Dauer und Stärke, ab. Das Positionierungsteil kann einen Gegenstand halten. Bei dem Gegenstand, der von dem Positionierungsteil gehalten werden kann, kann es sich beispielsweise um ein Messgerät oder ein Werkzeug handeln. Es kann auch vorgesehen sein, dass das Positionierungsteil selbst ein Werkzeug oder ein Messgerät oder einen Teil davon darstellt. Bevorzugt besteht das Positionierungsteil zumindest teilweise aus ferromagnetischem Material, insbesondere aus Eisen. Die relative Permeabilität ur des ferromagnetischen Materials ist bevorzugt größer als 100. Da

das Positionierungsteil durch die Permanentmagneten nicht ohne

zusätzliche Maßnahmen in einer Position gehalten werden kann, sind zumindest ein Aktuator und eine Regelungseinrichtung vorgesehen. Als Aktuator wird bevorzugt ein elektromagnetischer Aktuator verwendet. Beispielsweise kann ein Lorentz-Aktuator (siehe weiter unten) eingesetzt werden. Mit Hilfe des Aktuators und der Regelungseinrichtung kann das Positionierungsteil in einer Schwebeposition gehalten werden. In der Schwebeposition ist das Positionierungsteil zumindest in vertikaler Richtung in Schwebe. Es können auch mehrere Aktuatoren vorgesehen sein. Dadurch kann eine Regelung der Position in zumindest einem translatorischen und zumindest einem rotatorischen Freiheitsgrad erfolgen. Besonders bevorzugt werden ein oder mehrere elektromagnetische Aktuatoren eingesetzt. Vorzugsweise werden elektromagnetische Aktuatoren eingesetzt, die keine mechanische Verbindung zwischen dem Positionierungsteil und dem Basisteil herstellen und die nur eine geringe oder eine vernachlässigbare Steifigkeit aufweisen. Der Aktuator übt eine Stellkraft auf das Positionierungsteil aus, um die Position des Positionierungsteils zu verändern bzw. beizubehalten. Durch Verwendung mehrerer Aktuatoren oder weiterer Basisteile kann das Positionierungsteil vollständig in allen Raumrichtungen in Schwebe gehalten werden. Die Regelungseinrichtung kann digital oder analog ausgeführt sein. Bevorzugt ist jedoch, wenn die Regelungseinrichtung einen Mikroprozessor umfasst, der zumindest eine Positionsregelungseinheit mit einem Regler, beispielsweise einen PI- oder einen PID-Regler, beinhaltet. Um Beschädigungen zu vermeiden, kann eine Sollposition vorgesehen sein, die sich näher am Basisteil befindet als die Kompensationsposition. Dadurch wird das Positionierungsteil im Fehlerfall durch die Permanentmagneten zum Basisteil gezogen. In diesem Fall ist ein geringer permanenter Ausgleichsstrom im Aktuator notwendig. Die Regelungseinrichtung kann dazu eingerichtet sein, mechanische Schwingungen, beispielsweise ab einer bestimmten Frequenz, zu unterdrücken, sodass diese nicht auf das

Positionierungsteil übertragen werden.

Richtungsangaben in dieser Offenbarung beziehen sich, wenn nicht anders angegeben, auf einen Gebrauchszustand, bei dem das Basisteil oberhalb des Positionierungsteils angeordnet ist. Die Gra-

vitationskraft wirkt auf das Positionierungsteil nach unten.

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Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die Regelungseinrichtung dazu eingerichtet, das Positionierungsteil mithilfe des Aktuators in einer Sollposition zu halten und insbesondere im Falle einer externen Krafteinwirkung auf das Positionierungsteil durch Einstellen der permanentmagnetischen Haltekraft einen mittleren Strombedarf des Aktuators zu reduzieren, vorzugsweise zu minimieren. Bei dieser Ausführungsform wird also das Positionierungsteil durch die Regelungseinrichtung an der Sollposition gehalten. Wenn sich die Gewichtskraft des Positionierungsteils ändert oder eine externe Kraft auf das Positionierungsteil einwirkt, wird das Positionierungsteil weiterhin in der Sollposition gehalten. Damit ein im zeitlichen Mittel fließender permanenter Ausgleichsstrom („Offset-Strom“) in dem Aktuator, der notwendig ist, um das Positionierungsteil in der Sollposition zu halten, reduziert werden kann, wird die permanentmagnetische Haltekraft durch Verändern der Magnetisierung des zweiten Permanentmagneten derart angepasst, dass die permanentmagnetische Haltekraft die auf das Positionierungsteil wirkenden Gewichtsund externen Kräfte an der Sollposition zumindest teilweise kompensiert, vorzugsweise im Wesentlichen vollständig kompensiert. Wenn die Gewichts- und externen Kräfte an der Sollposition im Wesentlichen vollständig kompensiert werden, ist, bis auf einen Strom zur Stabilisierung des Positionierungsteils bzw. zum Ausgleich von Vibrationen, kein permanenter Ausgleichsstrom („Offset-Strom“) in dem Aktuator notwendig. Der mittlere Strombedarf ist ein zeitlich gemittelter Strombedarf und entspricht einem permanenten Ausgleichsstrom. Dieser ist beim Stand der Technik notwendig, das Positionierungsteil bei veränderter Gewichtskraft oder externer Krafteinwirkung an der Sollposition zu halten. Die Sollposition des Positionierungsteils kann relativ zu dem Basisteil gesehen werden. Die Sollposition kann als Abstand zwischen dem Positionierungsteil und dem Basisteil definiert sein. Somit kann der Abstand des Positionierungsteils zum Basisteil auch bei veränderter Gewichtskraft oder externer Krafteinwirkung konstant gehalten werden, ohne dass ein permanenter Ausgleichsstrom in dem Aktuator notwendig ist. Bei der Sollposition kann es sich um eine Schwebeposition des Positionierungsteils handeln. In der Schwebeposition ist das Positionierungsteil in zumindest vertikaler Richtung in Schwebe. Es kann auch vorgesehen sein, dass

mechanische Schwingungen, beispielsweise oberhalb einer

festgelegten Frequenz, des Basisteils durch den Aktuator kompensiert werden, indem das Positionierungsteil aus der Sollposition

ausgelenkt wird.

Um Beschädigungen zu vermeiden, kann eine Sollposition vorgesehen sein, die sich näher zum Basisteil befindet als die Kompensationsposition. Dadurch wird das Positionierungsteil im Fehlerfall durch die Permanentmagneten zum Basisteil gezogen. Bei dieser Ausführungsform ist ein geringer permanenter Ausgleichsstrom („Offset-Strom“) vorgesehen, der jedoch gering gehalten werden kann, da bereits eine kleine Verschiebung der Sollposition in Richtung des Basisteils genügen kann, um das Positionierungsteil im Fehlerfall an das Basisteil zu ziehen. Die Reduktion des mittleren Strombedarfs des Aktuators erfolgt in diesem Fall da-

her auf einen vorgegebenen Wert.

Die Regelungseinrichtung kann dazu eingerichtet sein, zum Einstellen der Magnetisierung des zweiten Permanentmagneten zumindest einen Strom- oder Spannungsimpuls auf die Einstellwicklung aufzuschalten. Der Strom- oder Spannungsimpuls hat einen definierten zeitlichen Beginn und ein definiertes zeitliches Ende. Der Strom- oder Spannungsimpuls kann eine positive oder eine negative Polarität aufweisen. Die Form und Höhe des Strom- oder Spannungsimpuls ist vorgebbar. Der Strom- oder Spannungsimpuls kann beispielsweise rechteckförmig, sinusförmig oder sägezahnförmig sein. Die Dauer des Strom- oder Spannungsimpulses hängt unter anderem von der Geometrie des Basisteils, insbesondere des zweiten Permanentmagneten, und von der Höhe des Strom- oder Spannungsimpulses ab. Die Dauer des Strom- oder Spannungsimpulses kann beispielsweise zwischen 0,1 ms und 100 ms betragen. Auch eine längere oder kürzere Dauer ist möglich. Die Einstellwicklung setzt den Strom- oder Spannungsimpuls in ein magnetisches Feld um, das die Magnetisierung des zweiten Permanentmagneten verändert. Die Magnetisierung des ersten Permanentmagneten bleibt von dem magnetischen Feld der Einstellwicklung im Wesent-

lichen unbeeinflusst.

Bevorzugt ist, wenn die Regelungseinrichtung dazu eingerichtet ist, zur Bestimmung einer Höhe, einer Dauer und/oder einer Form

des Strom- oder Spannungsimpuls einen Strombedarf, insbesondere

einen mittleren Strombedarf, des Aktuators heranzuziehen. Der mittlere Strombedarf entspricht dem notwendigen Ausgleichsstrom („Offset-Strom“) im Aktuator, um das Positionierungsteil an der Sollposition zu halten. Die Sollposition kann als Abstand zum Basisteil definiert sein. Die Sollposition kann aber auch unabhängig vom Basisteil sein. Aus dem Strombedarf des Aktuators, der notwendig ist, um das Positionierungsteil im Falle einer veränderten Gewichtskraft oder einer externen Krafteinwirkung in der Sollposition zu halten, lässt sich über die Parameter des Aktuators die notwendige permanentmagnetische Haltekraft ermitteln, die notwendig ist, um die zusätzliche Gewichtskraft des Positionierungsteils bzw. eine auf das Positionierungsteil zusätzlich einwirkende externe Kraft zu kompensieren. Ein Parameter des Aktuators kann beispielsweise die Motorkonstante des Aktuators sein, der den durch den Aktuator fließenden elektrischen Strom mit der vom Aktuator erzeugten Kraft auf das Positionierungsteil verknüpft. Bei der Bestimmung der Höhe, der Dauer und/oder der Form des Strom- oder Spannungsimpulses können auch eine bisherige Magnetisierungshistorie des zweiten Permanentmagneten, eine Hysterese des zweiten Permanentmagneten und/oder zumindest ein Parameter der Einstellwicklung, beispielsweise eine Windungszahl oder ein Durchmesser, berücksichtigt werden. Die Werte für die Höhe, die Dauer und/oder die Form von Strom- oder Spannungsimpulsen bei einem gegebenen Strombedarf des Aktuators können in einer Tabelle hinterlegt sein oder laufend berechnet

werden.

Um eine Regelung der Position des Positionierungsteils zu ermöglichen, ist es günstig, wenn die Regelungseinrichtung eine Erfassungseinheit zur direkten oder indirekten Erfassung der Position und/oder Orientierung des Positionierungsteils aufweist. Die Erfassungseinheit kann beispielsweise ein Sensor zur Erfassung des Abstands zwischen dem Positionierungsteil und dem Basisteil sein. Es können auch mehrere Erfassungseinheiten vorgesehen sein. Die erfasste Position und/oder Orientierung kann der Regelungseinrichtung zur Verfügung gestellt werden, sodass eine Positionsregelung des Positionierungsteils durchgeführt werden kann. Als Erfassungseinheit kann beispielsweise ein Interferometer, ein kapazitiver Sensor, ein optischer Näherungssensor, ein

Triangulationssensor o.Ä. ohne oder in Kombination mit einem

Flusserfassungssensor verwendet werden. Der Flusserfassungssensor dient zur Erfassung des magnetischen Flusses innerhalb

des Basisteils und/oder in einem Luftspalt.

Damit eine ungewollte Veränderung der Magnetisierung des ersten Permanentmagneten verhindert wird, ist es vorteilhaft, wenn die erste Koerzitivfeldstärke zumindest um ein 10-faches, vorzugsweise zumindest um ein 15- oder zumindest um ein 20-faches, h6öher ist als die zweite Koerzitivfeldstärke. Auf diese Weise bleibt die Magnetisierung des ersten Permanentmagneten im Wesentlichen unbeeinflusst, wenn die Magnetisierung des zweiten Permanentmagneten verändert wird. Die erste Koerzitivfeldstärke liegt bevorzugt im Bereich zwischen 600 A/m und 1200 A/m. Die zweite Koerzitivfeldstärke liegt bevorzugt im Bereich zwischen 30 A/m und 60 A/m.

Bevorzugt ist, wenn eine Remanenzflussdichte des ersten Permanentmagneten und eine Remanenzflussdichte des zweiten Permanentmagneten im Wesentlichen gleich sind. Die Remanenzflussdichte des ersten und des zweiten Permanentmagneten liegt bevorzugt

zwischen 1 T und 1,4 T.

Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass der erste und der zweite Permanentmagnet magnetisch parallel angeordnet sind. Bevorzugt besitzen der erste und der zweite Permanentmagnet eine gleiche Länge. Vorzugsweise weisen der erste und der zweite Permanentmagnet auch eine im Wesentlichen gleich große Querschnittsfläche auf. Der erste und der zweite Permanentmagnet können insbesondere direkt nebeneinander ange-

ordnet sein.

Um die Magnetisierung des zweiten Permanentmagneten zu verändern, kann die Einstellwicklung den zweiten Permanentmagneten zumindest teilweise, insbesondere vollständig, umgeben. Die Einstellwicklung kann ausschließlich den zweiten oder auch beide Permanentmagneten umgeben. Vorzugsweise entspricht die Länge der Einstellwicklung im Wesentlichen der Länge des zweiten Perma-

nentmagneten.

Der Aktuator soll keine mechanische Kopplung zwischen dem

Basisteil und dem Positionierungsteil herstellen. Günstig ist daher, wenn der Aktuator als ein auf Lorentzkraft basierender elektromagnetischer Aktuator mit zumindest einem weiteren Permanentmagneten und zumindest einer elektrischen Spule ausgebildet ist. Derartige Aktuatoren werden auch als Lorentz-Aktuatoren bezeichnet. Die Lorentzkraft ist jene Kraft, die eine elektrische Ladung in einem elektrischen oder magnetischen Feld erfährt. Die Lorentzkraft besitzt eine elektrostatische und eine elektromagnetische Komponente. Primär wird die elektromagnetische Komponente bei elektromagnetischen Aktuatoren ausgenutzt. Die elektromagnetische Komponente der Lorentzkraft ist am größten, wenn die Bewegungsrichtung der Ladung senkrecht zu den magnetischen Feldlinien verläuft. Ein Beispiel für einen Lorentz-Aktuator ist ein Voice-Coil-Aktuator. Lorentz-Aktuatoren werden beispielsweise in S. Ito and G. Schitter, "Comparison and Classification of High-Precision Actuators Based on Stiffness Influencing Vibration Isolation," in IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, vol. 21, no. 2, pp. 1169-1178, April 2016 beschrieben. Die zumindest eine elektrische Spule ist innerhalb des magnetischen Feldes des zumindest einen weiteren Permanentmagneten angeordnet. Wenn die elektrische Spule bestromt wird, wird auf die Spule eine Lorentz-Kraft ausgeübt, die zur Änderung der Position des Positionierungsteils genutzt werden kann. Vorzugsweise sind zumindest zwei gleichartige Aktuatoren vorgesehen, sodass nicht nur eine translatorische Verschiebung des Positionierungsteils, sondern auch eine rotatorische Drehung des Positionierungsteils um eine Drehachse ermöglicht wird. Der elektromagnetische Aktuator kann auch mehrere weitere Permanentmagneten und/oder mehrere elektrische Spulen aufweisen. Mehrere weitere Permanentmagneten im elektromagnetischen Aktuator können als Halbach-Array angeordnet sein. Ein Halbach-Array ist eine Anordnung von Permanentmagneten, die es ermöglicht, dass sich der magnetische Fluss an der einen Seite der Anordnung fast aufhebt, auf der anderen

Seite Jedoch verstärkt.

Bevorzugt ist, wenn der Aktuator zumindest teilweise an dem Basisteil befestigt ist. Die elektrische Spule ist bevorzugt mit dem Positionierungsteil verbunden, während der weitere Perma-

nentmagnet mit dem Basisteil verbunden ist. Selbstverständlich

ist auch eine umgekehrte Anordnung möglich, bei der die

elektrische Spule an dem Basisteil und der weitere Permanentmag-

net an dem Positionierungsteil befestigt ist.

Eine besonders effiziente Ausgestaltung der Erfindung ergibt sich, wenn das Basisteil zumindest ein insbesondere ferromagnetisches Strukturteil, beispielsweise ein ferromagnetisches Jochteil, zum Leiten des magnetischen Flusses des ersten und des zweiten Permanentmagneten in Richtung des Positionierungsteils aufweist. Das ferromagnetische Strukturteil kann eine relative magnetische Permeabilität von ur > 100 aufweisen. Das Strukturteil besteht vorzugsweise aus Eisen. Die Permeabilität des Strukturteils ist hoch genug, um Sättigungseffekte im flussführenden Joch zu vermeiden. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass zwei Strukturteile vorgesehen sind. Das erste Strukturteil leitet den magnetischen Fluss der Permanentmagnete zum Positionierungsteil. Das zweite Strukturteil leitet den magnetischen Fluss vom Positionierungsteil zu den Permanentmagneten. Das bzw. die Strukturteile schließen direkt mit den Permanentmagneten ab. Bei einer alternativen Ausgestaltung sind der erste und der zweite Permanentmagnet in eine Ausnehmung eines Strukturteils

eingebettet.

Bei einer Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass das Positionierungsteil zumindest ein mechanisches und/oder magnetisches Halteelement zum Fixieren des Gegenstandes aufweist. Dadurch kann ein Gegenstand, wie ein Werkzeug oder eine Messvorrichtung, mechanisch und/oder magnetisch an dem Positionierungsteil befestigt werden. Die mechanische Befestigung kann werkzeuglos und reversibel lösbar sein, was bei der magnetischen Befestigung oh-

nedies der Fall ist.

Zur Entkoppelung von der Umgebung befindet sich das Positionierungsteil im bestimmungsgemäßen Betriebszustand in einer Schwebeposition, wobei Schwebeposition bedeutet, dass das Positionierungsteil in zumindest vertikaler Richtung gesehen schwebt. Zur Führung des Positionierungsteils in den anderen Freiheitsgraden kann eine Führungseinrichtung, beispielsweise ein Gelenk, ein Biegebalken, eine Feder oder eine Lagereinrichtung, insbesondere ein Wälzlager oder ein Luftlager, vorgesehen sein. Die Führungs-

einrichtung kann das Positionierungsteil seitlich stabilisieren.

Insbesondere in Jene Raumrichtungen, in denen keine Positionsregelung des Positionierungsteil erfolgt, ist eine Führungsein-

richtung vorteilhaft.

Zur Anpassung der permanentmagnetischen Haltekraft oder zur Regelung eines magnetischen Flusses kann zumindest ein Sensor zu Erfassung eines magnetischen Flusses innerhalb des Basisteils oder innerhalb eines Luftspaltes zwischen dem Basisteil und dem Positionierungsteil vorgesehen sein. Bei dem Sensor kann es sich zum Beispiel um einen Hall-Sensor oder eine Spule handeln. Der Sensor kann mit der Regelungseinrichtung verbunden sein. Bevorzugt ist, wenn der Sensor an einem Luftspalt zwischen dem Basisteil und dem Positionierungsteil angeordnet ist. Mit dem Sensor ist beispielsweise eine Regelung des magnetischen Flusses möglich. Mit dem Sensor zur Erfassung des magnetischen Flusses kann beispielsweise bei bekannter Position bzw. Abstand des Positionierungsteils zum Basisteil die auf das Positionierungsteil ein-

wirkende magnetische Haltekraft bestimmt werden.

Bei einer Ausführungsform der Erfindung kann zumindest ein weiteres Basisteil vorgesehen sein, wobei das Basisteil und das zumindest eine weitere Basisteil vorzugsweise in verschiedene Raumrichtungen orientiert sind, sodass die Position des Positionierungsteils in zumindest zwei Raumrichtungen regelbar ist. Das zumindest eine weitere Basisteil kann im Wesentlichen gleich wie das Basisteil ausgebildet sein. Mit zumindest einem weiteren Basisteil ist eine Positionsregelung in zumindest zwei Raumrichtungen möglich. Es können auch mehrere weitere Basisteile vorgesehen sein. Die obigen Ausführungen zum Basisteil sind auf das weitere Basisteil übertragbar. Die Positioniervorrichtung dieser Ausführungsform kann beispielsweise um eine Achse gedreht werden, wobei das Positionierungsteil durch das weitere Basisteil weiterhin in einer Schwebeposition gehalten wird. Auf diese Weise kann eine Positioniervorrichtung erzielt werden, die gedreht werden kann und weiterhin eine Entkoppelung von der Umgebung ermöglicht. Die Positioniervorrichtung kann beispielsweise an einem Roboter oder Roboterarm montiert sein. Bei einer Ausführungsform der Erfindung sind zumindest zwei weitere Basisteile vorgesehen, sodass das Positionierungsteil in alle Raum-

richtungen vollständig magnetisch in Schwebe gehalten werden

kann. Eine mechanische Stabilisierung ist vorzugsweise nicht

vorgesehen.

Die Erfindung betrifft auch ein Positioniersystem zum Positionieren eines Gegenstandes, wobei die Positioniervorrichtung wie beschrieben ausgebildet ist und an einer Positioniereinrichtung, beispielsweise einem Roboter, angeordnet ist. Der Roboter kann beispielsweise ein (Industrie-)Roboterarm mit mehreren Freiheitsgraden sein. Mit der Positioniereinrichtung kann eine Grobpositionierung vorgenommen werden. Mit der erfindungsgemäßen Positioniervorrichtung kann eine Feinpositionierung vorgenommen werden. Beispielsweise kann die Positioniervorrichtung an einem

Positionierungsteil der Positioniereinrichtung angeordnet sein.

Die eingangs erwähnte Aufgabe wird auch durch ein Positionierverfahren gelöst. Das Verfahren weist folgende Schritte auf:

Ausüben einer permanentmagnetischen Haltekraft von einem feststehenden Basisteil auf ein bewegliches Positionierungsteil, wobei das Basisteil einen ersten Permanentmagneten mit einer ersten Koerzitivfeldstärke aufweist;

Regeln der Position des Positionierungsteils relativ zu dem Basisteil mithilfe eines Aktuators zum Verändern einer Position des Positionierungsteils; und

Einstellen einer Magnetisierung eines zweiten Permanentmagneten mit einer im Vergleich zur ersten Koerzitivfeldstärke geringeren zweiten Koerzitivfeldstärke mithilfe einer elektrischen Einstellwicklung, um die permanentmagnetische Haltekraft von dem

Basisteil auf das Positionierungsteil zu verändern.

Die einzelnen Schritte des Verfahrens können, aber müssen nicht in der angegebenen Reihenfolge ausgeführt werden. Insbesondere können die Schritte auch zeitgleich oder zeitlich überlappend ausgeführt werden. Hinsichtlich der Beschreibung des Verfahrens wird auf die obigen Erläuterungen zu der erfindungsgemäßen Positioniervorrichtung verwiesen. Die Beschreibungen und Merkmale der Positioniervorrichtung sind auch auf das Verfahren übertragbar. Das Verfahren kann von der oben beschriebenen Positionier-

vorrichtung ausgeführt werden.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Figuren beschrieben,

auf die sie allerdings nicht beschränkt sein soll. Es zeigen:

Fig. 1 schematisch eine Positioniervorrichtung im Querschnitt;

Fig. 2A-C schematisch eine Positioniervorrichtung im Querschnitt, wobei zur Erläuterung der Funktionsweise der Positioniervorrichtung Hysteresekurven und Stromimpulse dargestellt

sind;

Fig. 3 eine Positioniervorrichtung in einem ersten Querschnitt;

und

Fig. 4 die Positioniervorrichtung von Fig. 3 in einem zweiten

Querschnitt.

Fig. 1 zeigt eine Positioniervorrichtung 1 mit einem feststehenden Basisteil 2 und einem gegenüber dem Basisteil 2 beweglichen Positionierungsteil 3 im Querschnitt. Das Positionierungsteil 3 ist in der gezeigten Darstellung unterhalb des Basisteils 2 angeordnet. Das Positionierungsteil 3 kann mit einem Gegenstand (nicht gezeigt) verbunden werden. Bei dem Gegenstand kann es sich beispielsweise um ein Messgerät oder ein Werkzeug handeln. Das Positionierungsteil 3 kann auch selbst einen Teil eines solchen Gegenstands, also beispielsweise eines Messgeräts oder eines Werkzeugs, bilden. Das Basisteil 2 weist ferromagnetische Strukturteile 4 zur Leitung eines magnetischen Flusses und einen ersten Permanentmagneten 5 mit einer ersten Koerzitivfeldstärke Hey auf. Der erste Permanentmagnet 5 erzeugt zusammen mit einem unten noch näher zu erläuternden zweiten Permanentmagnet 6 einen magnetischen Fluss ®pgasıs innerhalb des Basisteils 2, der sich in der gezeigten Darstellung über das Positionierungsteil 3 und zwei zwischen dem Positionierungsteil 3 und dem Basisteil 2 befindlichen Luftspalten 7 schließt. Das Basisteil 2 kann dadurch eine permanentmagnetische Haltekraft Fyaıte auf das Positionierungsteil 3 ausüben, wodurch die Gewichtskraft Fe des Positionierungsteils 3 und eine an eine allfällige, zusätzlich einwirkende externe Krafteinwirkung (nicht gezeigt) kompensiert werden kann. Eine permanentmagnetische Haltekraft ist im Wesentlichen proportional zum Quadrat der magnetischen Flussdichte am Ort der

Krafteinwirkung. Da es sich um ein instabiles System handelt und

das Positionierungsteil 3 daher nicht ohne zusätzliche Maßnahmen in einer vorgegebenen Position P gehalten werden kann, ist zumindest ein Aktuator 8, in der gezeigten Ausführungsform zwei Aktuatoren 8a und 8b, vorgesehen. Die Aktuatoren 8a, 8b sind mit dem Basisteil 2 verbunden und wirken auf das Positionierungsteil 3 ein, um dessen Position P zu verändern. Bevorzugt werden

elektromagnetische Aktuatoren 8a, 8b eingesetzt.

Um die Position P des Positionierungsteils 3 zu halten, ist eine Regelungseinrichtung 9 vorgesehen, die beispielsweise einen Mikroprozessor aufweisen und digital implementiert sein kann. Die Regelungseinrichtung 9 weist in der gezeigten Darstellung eine Positionsregelungseinheit 10 auf. Die Positionsregelungseinheit 10 besitzt einen Positionsregler 11, beispielsweise einen PIDRegler. Als rückgeführte Messgröße 12 verwendet die Positionsregelungseinheit 10 die Position P des Positionierungsteils 3, insbesondere einen Abstand d zwischen dem Positionierungsteil 3 und dem Basisteil 2. Die Position P bzw. der Abstand d können mithilfe einer Erfassungseinheit 52 gemessen und der Positionsregelungseinheit 10 zur Verfügung gestellt werden. Es können auch mehrere Erfassungseinheiten 52 vorgesehen sein, um den Abstand zwischen dem Positionierungsteil 3 und dem Basisteil 2 an verschiedenen Stellen, beispielsweise an jedem Luftspalt 7, zu erfassen. Als Sollgröße für die Positionsregelungseinheit 10 wird eine Sollposition Psoı1 bzw. ein Sollabstand dso11 verwendet. Der Positionsregler 11 steuert die Aktuatoren 8a, 8b direkt oder indirekt an, welche im Falle einer Abweichung der Position P von der Sollposition Psoıu1, insbesondere bei einer Abweichung des Abstandes d vom Sollabstand dseıı, die Position P bzw. den Abstand d des Positionierungsteils 3 zum Basisteil 2 verändern. Dadurch weist die Positionsregelungseinheit 10 einen geschlossenen Regelkreis auf. Als Aktuatoren 8a, 8b können insbesondere Lorentz-

Aktuatoren 13 vorgesehen sein.

Die Positioniervorrichtung 1 kann an einer (in Fig. 1 nur schematisch angedeuteten) Positioniereinrichtung 51, beispielsweise einem Roboter, insbesondere einem Roboterarm, befestigt sein.

Dadurch kann ein Positioniersystem 50 gebildet sein.

Während des Betriebs der Positioniervorrichtung 1, beispiels-

weise beim Wechseln eines Werkzeugs oder eines Messgeräts, kann sich die zu kompensierende Gewichtskraft Fe ändern oder es muss möglicherweise eine externe Krafteinwirkung zusätzlich kompensiert werden. Um die Position P des Positionierungsteils 3 bzw. den Abstand d zwischen dem Positionierungsteil 3 und dem Basisteil 2 im Wesentlichen konstant zu halten, ist es beim Stand der Technik erforderlich, dass die Aktuatoren eine zusätzliche Haltekraft zur Verfügung stellen oder die Haltekraft Fpyaıte ändern. Dazu ist beim Stand der Technik ein permanenter Ausgleichsstrom in den Aktuatoren erforderlich, was den Energieverbrauch erhöht

und die Positioniervorrichtung 1 erwärmt.

Um die permanentmagnetische Haltekraft Fyaıte anpassen und dadurch eine veränderte Gewichtskraft Fe des Positionierungsteils 3 oder eine externe Krafteinwirkung auf das Positionierungsteil 3 kompensieren zu können, ohne dass ein permanenter Ausgleichsstrom in den Aktuatoren 8a, 8b notwendig ist, ist erfindungsgemäß ein zweiter Permanentmagnet 6 mit einer zweiten Koerzitivfeldstärke Hec2 Vorgesehen, die im Vergleich zur ersten Koerzitivfeldstärke Hec1ı geringer ist. Bevorzugt ist die erste Koerzitivfeldstärke Heı zumindest um ein 10-faches, vorzugsweise zumindest um ein 15- oder zumindest um ein 20-faches, höher als die zweite Koerzitivfeldstärke He2. Die Remanenzflussdichten Bgı und Bez beider Permanentmagneten 5, 6 sind bevorzugt gleich. Um die Haltekraft Fualte anzupassen, kann die Magnetisierung des zweiten Permanentmagneten 6 mit Hilfe einer Einstellwicklung 14 eingestellt, also verändert, werden. Die Einstellwicklung 14 ist eine Spule, die in der gezeigten Ausführungsform sowohl den ersten 5, als auch den zweiten Permanentmagneten 6 umfasst. Durch Bestromen der Einstellwicklung 14 mit einem Spulenstrom ispule Wird ein Magnetfeld aufgebaut, das die Magnetisierung des zweiten Permanentmagneten 6 verändern kann. Die Magnetisierung des ersten Permanentmagneten 5 bleibt dabei im Wesentlichen unbeeinflusst bzw. erhalten, da die erste Koerzitivfeldstärke Hei größer ist als die zweite Koerzitivfeldstärke Hez. Vorteilhafterweise ist zur Änderung der Magnetisierung des zweiten Permanentmagneten 6 nur zeitlich begrenzt ein Magnetfeld der Einstellwicklung 14 notwendig. Dieses kann mittels Strom- oder Spannungsimpulsen 15, 16, 17 (siehe Fig. 2C) erzeugt werden. Durch die Anpassung der Haltekraft Fualte

ist im Vergleich zum Stand der Technik kein permanenter

Ausgleichsstrom in den Aktuatoren 8a, 8b erforderlich. Die Einstellwicklung 14 kann von einer Einstellwicklung-Ansteuerungseinheit 53 der Regelungseinrichtung 9 angesteuert werden. Bevorzugt werden Strom- oder Spannungsimpulse von der Regelungseinrichtung 9 auf Basis eines mittleren Strombedarfs der Aktuatoren 8a, 8b bestimmt. Zu diesem Zweck kann die Einstellwicklung-Ansteuerungseinheit 53 den durch die Aktuatoren 8a, 8b fließenden Strom L1aktuator auswerten und zur Ermittlung der Höhe, Dauer und/oder Form der Strom- und Spannungsimpulse 15, 16, 17 heranziehen. Der mittlere Strombedarf in den Aktuatoren 8a, 8b, der notwendig ist, das Positionierungsteil 3 in der Sollposition Pso11 zu halten, kann durch Anpassung der Haltekraft Fpyaıte MiNnimiert werden, was durch irre: = 0 verdeutlich werden soll. Es ist aber auch möglich, eine Änderung der Gewichtskraft Fe vorab zu bestimmen (z.B. weil das Gewicht eines Werkzeugs bekannt ist) und die Magnetisierung des zweiten Permanentmagneten 6 bzw. die Haltekraft Fyaıte auf Basis dieser Kenntnisse anzupassen. Dadurch kön-

nen transiente Kräfte unterdrückt werden.

Fig. 2A-C veranschaulichen schematisch die Veränderung der Magnetisierung des zweiten Permanentmagneten 6 und damit die Anpassung der permanentmagnetischen Haltekraft Fpyaıte. Fig. 2A zeigt die Positioniervorrichtung 1 in verschiedenen Zuständen der Magnetisierung des zweiten Permanentmagneten 6, wobei der magnetische Fluss ®gasiıs bzw. der magnetische Fluss der Permanentmagneten 5, 6 eingezeichnet ist. Fig. 2B zeigt korrespondierend zu den Zuständen der Positioniervorrichtung 1 aus Fig. 2A jeweils Magnetisierungszustände des ersten 5 und des zweiten Permanentmagneten 6 zusammengenommen, also eine Hysterese des Gesamtsystems bestehend aus erstem 5 und zweitem Permanentmagnet 6. Die Magnetisierungszustände sind in Hysteresekurven eingetragen, die jeweils in einem Koordinatensystem mit einer Achse für die magnetische Feldstärke H und einer Achse für die magnetische Flussdichte B dargestellt sind. Fig. 2C zeigt Stromimpulse entlang einer Zeitachse t, die zu den Jeweiligen Magnetisierungszuständen in Fig. 2A in Fig. 2B führen. Die Stromimpulse können auch durch Spannungsimpulse hervorgerufen werden. Im ersten Zustand (von links beginnend) übt das Basisteil 2 keine Haltekraft Fpyalte (also Fyaıte 1St gleich Null) auf das Positionierungsteil 3 aus.

Der erste 5 und der zweite Permanentmagnet 6 sind zueinander

entgegengesetzt, d.h. antiparallel, magnetisiert. Es fließt in Schritt Sl kein Strom durch die Einstellwicklung 14. Durch Aufschalten eines Stromimpulses 15 mit positiver Polarität in Schritt S2 auf die Einstellwicklung 14 wird die Magnetisierung des zweiten Permanentmagneten 6 durch das sich aufbauende Magnetfeld verändert, sodass der erste 5 und der zweite Permanentmagnet 6 beide vollständig in die gleiche Richtung magnetisiert sind. Dadurch wird eine Haltekraft Fpyaıte ungleich Null auf das Positionierungsteil 3 ausgeübt. Der Stromimpuls 15 ist zeitlich begrenzt. Nach dem Stromimpuls 15 fließt kein Strom durch die Einstellwicklung 14 (Schritt S3). Nachdem der Stromimpuls 15 beendet wird, bleibt die Magnetisierung des zweiten Permanentmagneten 6 weiter erhalten. Die zur Verfügung gestellte Flussdichte B wird auch nach Abklingen des von der Einstellwicklung 14 erzeugten Feldes kaum verändert. Durch Aufschalten eines Stromimpulses 16 mit negativer Polarität in Schritt S4 kann die Magnetisierung des zweiten Permanentmagneten 6 derart geändert werden, dass die beiden Permanentmagneten 5, 6 entgegengesetzt zueinander magnetisiert sind. Die Haltekraft Fpyaıte kann somit wieder im Wesentlichen zu Null gemacht werden. Wenn der Stromimpuls 16 beendet wird (Schritt S5), bleibt die Magnetisierung des zweiten Permanentmagneten 6 weiter erhalten. Durch Aufschalten von Stromimpulsen kann zusammenfassend also die Haltekraft Fpyalte ausgeschaltet (zu Null gemacht werden) oder eingeschaltet (einen Wert ungleich Null annehmen) werden. Wenn die Magnetisierung des ersten 5 und des zweiten Permanentmagneten 6 in die gleiche Richtung orientiert ist, wird die Haltekraft des ersten Permanentmagneten 5 verdoppelt, wenn die Remanenzflussdichte des ersten 5 und des zweiten Permanentmagneten gleich groß ist. Wenn die Remanenzflussdichte des ersten 5 und des zweiten Permanentmagneten gleich groß ist und die Magnetisierungen der beiden Permanentmagneten 5, 6 entgegengesetzt (antiparallel) orientiert sind, wird die Haltekraft des ersten Permanentmagneten 5 kompensiert. Es ist aber auch möglich, die Höhe, Dauer und/oder Form des Stromimpulses anzupassen, um neben dem Einschalten und dem Ausschalten der Haltekraft Fpyaıte auch Zwischenzustände zu erreichen. Dies ist beispielhaft ganz rechts in den Abbildungen Fig. 2A-C gezeigt. In Schritt S6 wird ein Stromimpuls 17 mit positiver Polarität auf die Einstellwicklung 14 aufgeschaltet, dessen

Höhe von der Höhe des Stromimpulses 15 abweicht. Dadurch wird

der zweite Permanentmagnet 6 nicht vollständig in die gleiche Richtung wie der erste Permanentmagnet 5 magnetisiert. Die dadurch erzielte Haltekraft Fyaıte 1St dadurch geringer als die Haltekraft, die mit dem Stromimpuls 15 erzielt wird. In Fig. 2B ist ganz rechts ein solcher Zwischenzustand in der Magnetisierung eingezeichnet. Um Zwischenzustände zu erreichen, können Höhe, Form und/oder Dauer der Stromimpulse angepasst werden, wie

dies bei dem Stromimpuls 17 der Fall ist.

Fig. 3 zeigt eine Positioniervorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform im Querschnitt, wobei die Regelungseinrichtung 9 aus Gründen der Übersicht weggelassen wurde. Im Unterschied zur Ausführungsform gemäß Fig. 1 umgibt die Einstellwicklung 14 nur den zweiten Permanentmagneten 6, nicht aber den zweiten Permanentmagnet 5. Als Aktuatoren 8a, 8b sind Lorentz-Aktuatoren 13 vorgesehen. Jeder Aktuator 8a, 8b besitzt zumindest einen weiteren Permanentmagneten 18 und zumindest eine elektrische Spule 19. Die weiteren Permanentmagneten 18 sind am Basisteil 2 montiert. Die Spulen 19 sind mit dem Positionierungsteil 3 verbunden. Durch Bestromen der Spulen 19 kann eine Lorentzkraft Fzıaay, Fiap erzeugt werden, um die Position P des Positionierungsteils 3 zu ändern. Aus Gründen der Übersicht sind die Haltekraft Fyuaite und die Gewichtskraft Fe außerhalb des Positionierungsteils 3

eingezeichnet.

Der Aufbau der Lorentz-Aktuatoren 13 ist in Fig. 4 genauer ersichtlich. Beide Aktuatoren sind ident aufgebaut. Fig. 4 stellt einen weiteren Querschnitt der Positioniervorrichtung 1 gemäß Fig. 3 dar. Die Ansicht von Fig. 4 ist um 90° zur Ansicht von Fig. 3 gedreht (siehe das Koordinatensystem mit den Raumrichtungen x, y und z). Ersichtlich ist, dass ein Lorentz-Aktuator 13 eine linke 191 und eine rechte Spule 19r aufweist. Korrespondierend hierzu weist jeder Lorentz-Aktuator 13 einen linken 181 und einen rechten weiteren Permanentmagnet 18r auf. Mit den linken 191 und den rechten Spulen 19r können eine Kraft F;ıapı und eine Kraft Fıap - erzeugt werden. Die Spulen 19r, 191 können elektrisch in Serie geschaltet sein und vom gleichen Strom durchflossen werden, sodass auch im Wesentlichen gleiche Kräfte Fıap z7 Fıabı

erzeugt werden.

Claims

Patentansprüche:

1. Positioniervorrichtung (1) zum Positionieren eines Gegenstandes, insbesondere eines Messgeräts oder eines Werkzeugs, aufweisend:

ein bewegliches Positionierungsteil (3);

ein feststehendes Basisteil (2) mit einem ersten Permanentmagneten (5) zur Ausübung einer permanentmagnetischen Haltekraft (FyHaıte) Von dem Basisteil (2) auf das Positionierungsteil (3), wobei der erste Permanentmagnet (5) eine erste Koerzitivfeldstärke (He1ı) besitzt;

einen Aktuator (8) zum Verändern einer Position (P) des Positionierungsteils (3) relativ zu dem Basisteil (2); und

eine Regelungseinrichtung (9), die dazu eingerichtet ist, die Position (P) des Positionierungsteils (3) relativ zu dem Basisteil (2) mit Hilfe des Aktuators (8) zu regeln,

dadurch gekennzeichnet, dass das Basisteil (2) einen zweiten Permanentmagneten (6) mit einer im Vergleich zur ersten Koerzitivfeldstärke (He) geringeren zweiten Koerzitivfeldstärke (He) und eine elektrische Einstellwicklung (14) aufweist, wobei mit Hilfe der Einstellwicklung (14) die Magnetisierung des zweiten Permanentmagneten (6) einstellbar ist, um die permanentmagnetische Haltekraft (Fpyaıte) von dem Basisteil (2) auf das Positionie-

rungsteil (3) zu verändern.

2. Positioniervorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelungseinrichtung (9) dazu eingerichtet ist, das Positionierungsteil (3) mithilfe des Aktuators (8) in einer Sollposition (Psoıu1) zu halten und insbesondere im Falle einer externen Krafteinwirkung auf das Positionierungsteil (3) durch Einstellen der permanentmagnetischen Haltekraft (Fyaıte) einen mittleren Strombedarf des Aktuators (8) zu reduzieren, vor-

zugsweise zu minimieren.

3. Positioniervorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelungseinrichtung (9) dazu eingerichtet ist, zum Einstellen der Magnetisierung des zweiten Permanentmagneten (6) zumindest einen Strom- oder Spannungsimpuls (15, 16, 17) auf die Einstellwicklung (14) aufzuschalten.

4, Positioniervorrichtung (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelungseinrichtungen (9) dazu eingerichtet ist, zur Bestimmung einer Höhe, einer Dauer und/oder einer Form des Strom- oder Spannungsimpuls (15, 16, 17) einen Strombedarf£, insbesondere einen mittleren Strombedarf, des Aktuators (8) her-

anzuziehen.

5. Positioniervorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelungseinrichtung (9) eine Erfassungseinheit (52) zur direkten oder indirekten Erfassung

der Position (P) und/oder Orientierung des Positionierungsteils

(3) aufweist.

6. Positioniervorrichtung (1) einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Koerzitivfeldstärke (He) zumindest um ein 10-faches, vorzugsweise zumindest um ein 15oder zumindest um ein 20-faches, höher ist als die zweite Ko-

erzitivfeldstärke (He).

7. Positioniervorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Remanenzflussdichte (Bgerı) des ersten Permanentmagneten (5) und eine Remanenzflussdichte (Bsg;2)

des zweiten Permanentmagneten (6) im Wesentlichen gleich sind.

8. Positioniervorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der erste (5) und der zweite Perma-

nentmagnet (6) magnetisch parallel angeordnet sind.

9. Positioniervorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Einstellwicklung (14) den zweiten Permanentmagneten (5) zumindest teilweise, insbesondere

vollständig, umgibt.

10. Positioniervorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktuator (8) als ein auf Lor-

entzkraft basierender elektromagnetischer Aktuator (13) mit zumindest einem weiteren Permanentmagneten (18) und zumindest ei-

ner elektrischen Spule (19) ausgebildet ist.

11. Positioniervorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis

10, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktuator (8) zumindest

teilweise an dem Basisteil (2) befestigt ist.

12. Positioniervorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Basisteil (2) zumindest ein insbesondere ferromagnetisches Strukturteil (4), beispielsweise ein ferromagnetisches Jochteil, zum Leiten des magnetischen Flusses (®gasıs) des ersten (5) und des zweiten Permanentmagneten

(6) in Richtung des Positionierungsteils (3) aufweist.

13. Positioniervorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Positionierungsteil (3) zumindest ein mechanisches und/oder magnetisches Halteelement zum

Fixieren des Gegenstandes aufweist.

14. Positioniervorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass zur Führung und/oder Stabilisierung des Positionierungsteils (3) eine Führungseinrichtung, beispielsweise ein Gelenk, ein Biegebalken, eine Feder oder eine Lagereinrichtung, insbesondere ein Wälzlager oder ein Luftlager,

vorgesehen ist.

15. Positioniervorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis

14, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Sensor zu Erfassung eines magnetischen Flusses (®gasıs) innerhalb des Basisteils (2) oder innerhalb eines Luftspaltes (7) zwischen dem Basisteil

(2) und dem Positionierungsteil (3) vorgesehen ist.

16. Positioniervorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein weiteres Basisteil (2) vorgesehen ist, wobei das Basisteil (2) und das zumindest eine weitere Basisteil (2) vorzugsweise in verschiedene Raumrichtungen (x, y, z) orientiert sind, sodass die Position (P) des Positionierungsteils (3) in zumindest zwei Raumrichtun-

gen (x, yv, z) regelbar ist.

17. Positioniersystem (50) zum Positionieren eines Gegenstandes, dadurch gekennzeichnet, dass die Positioniervorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 16 an einer Positioniereinrichtung

(51), beispielsweise einem Roboter, angeordnet ist.

18. Positionierverfahren mit den Schritten:

Ausüben einer permanentmagnetischen Haltekraft (Fyaıte) von einem feststehenden Basisteil (2) auf ein bewegliches Positionierungsteil (3), wobei das Basisteil (2) einen ersten Permanentmagneten (5) mit einer ersten Koerzitivfeldstärke (Hei) aufweist;

Regeln der Position (P) des Positionierungsteils (3) relativ zu dem Basisteil (2) mithilfe eines Aktuators (8) zum Verändern einer Position (P) des Positionierungsteils (3); und

Einstellen einer Magnetisierung eines zweiten Permanentmagneten (6) mit einer im Vergleich zur ersten Koerzitivfeldstärke (Hei) geringeren zweiten Koerzitivfeldstärke (He2) mithilfe einer elektrischen Einstellwicklung (14), um die permanentmagnetische Haltekraft (Fpyaıte) Von dem Basisteil (2) auf das Positionie-

rungsteil (3) zu verändern.