CN107925340B - 平面定位装置、定位台、加工设备和测量设备 - Google Patents

平面定位装置、定位台、加工设备和测量设备 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种平面定位装置，具有：定子，所述定子包括由扁平线圈构成的线圈布置结构；在定位装置的运行位置中与定子相对置地设置的转子，所述转子具有由多个磁体排组成的平面的磁体布置结构，通过所述平面的磁体布置结构限定的平面设置成平行于线圈布置结构的平面；在定位装置的运行位置中设置在定子或转子内部的位置测量头，用于检测转子相对于定子的位置；位置准确地固定在转子或定子上的面式标尺；以及分析评估及控制装置，用于分析评估位置测量头的位置信号以及用于控制对线圈布置结构的通电，以便相对于定子对转子进行位置控制。所述定子或转子具有至少一个使得面式标尺对于位置测量头可见的窗口，并且所述面式标尺在线圈布置结构和磁体布置结构之间延伸越过所述窗口，面式标尺直接设置在磁体布置结构或线圈布置结构的至少一个部段上，所述面式标尺由不影响定子和转子之间的磁场的材料组成，并且给所述面式标尺配设用于确保在其整个延伸尺寸上具有与转子和定子平行的构型的保持机构。

Description

平面定位装置、定位台、加工设备和测量设备
技术领域
本发明涉及一种平面定位装置，具有：定子，所述定子包括由扁平线圈构成的线圈布置结构；在定位装置的运行位置中与定子相对置地设置的转子，所述转子具有由多个磁体排组成的平面的磁体布置结构，通过所述平面的磁体布置结构限定的平面设置成平行于线圈布置结构的平面；在定位装置的运行位置中设置在定子或转子内部的位置测量头，用于检测转子相对于定子的位置；位置准确地固定在转子或定子上的面式标尺；以及分析评估及控制装置，用于分析评估位置测量头的位置信号以及用于控制对线圈布置结构的通电，以便相对于定子对转子进行位置控制；其中，所述定子或转子具有至少一个使得面式标尺对于位置测量头可见的窗口。本发明此外还涉及一种定位台，所述定位台包括所述类型的定位装置，以及一种装备有这种定位台的加工或测量设备。
背景技术
多种类型的机床或其他加工或测量设备装备有定位台，也称为十字台或XY台，用于适当地相对于刀具定位工件或者也用于相对于测量设备定位测量目标。这种类型的较为先进的定位台不仅提供了单纯的XY定位，而且还提供了多轴定位，并且在这种定位台的最新的开发阶段中，也将其称为6D定位机或定位台。
传统的XY或十字台装备有两个线性驱动装置，而近一段时间以来，这样的驱动方案获得了使用上的意义，这种驱动设计方案以定子或转子侧的扁平线圈布置结构和永磁体面式阵列为基础。这种所谓的“平面电机”或平面驱动装置仅包括单一的电机初级部分(定子)和装备有永磁体的电机次级部分(转子)，从而不仅省去了第二驱动电机，同样还省去了附加的机械传动元件，如例如在滚珠丝杠机构中所需的传动元件。
所述或类似类型的平面定位装置例如由US 6,452,292 B1、US 2007/0035267 A1、US 2006/0049699 A1、WO 2009/115071 A2和WO 2013/0059934 A1已知。
本申请人提出的DE 10 201 1 100 153 A1也公开了一种所述类型的平面定位装置。在图1和2中示意性示出了这种平面定位装置的结构。由六个分别错开120°地设置成三对的扁平线圈组成的线圈布置结构设置并固定在定子板9上。在线圈布置结构的中央留出空闲的空间或窗口6，在所述空间或窗口中在定子板上安装位置测量头(6D测量头)8。在带有线圈布置结构的所述定子板9的上方相对于线圈布置结构可动地设置有具有平面的磁体布置结构2的转子3，所述磁体布置结构由三排具有交替的极性的磁体构成，所述磁体在转子的中间位置分别相对于线圈布置结构的线圈对居中地定位。在磁体布置结构2的中央也设有自由空间或窗口5，所述自由空间或窗口提供了用于面式标尺7的位置，所述面式标尺用于与位置测量头8配合作用相对于定子9对转子3进行位置测量。在转子2的上侧设置物体或工件支座4。
由于位置传感器装置的设计方案，在已知的平面定位装置中横向的移动范围受到较大限制。
发明内容
因此本发明的目的在于，提供一种具有较好的使用特性的平面定位装置，根据本发明的一个方面，特别是提供一种在满足位置调整的精度要求的同时具有较大的移动范围和沿Z方向较高的调节力的平面定位装置。
根据本发明的第一方面，所述目的通过一种平面定位装置来实现，所述平面定位装置具有：
定子，所述定子包括由扁平线圈构成的线圈布置结构，
在定位装置的运行位置中与定子相对置地设置的转子，所述转子具有由多个磁体排组成的平面的磁体布置结构，通过所述平面的磁体布置结构限定的平面设置成平行于线圈布置结构的平面，
在定位装置的运行位置中设置在定子或转子内部的位置测量头，用于检测转子相对于定子的位置，
位置准确地固定在转子或定子上的面式标尺，
以及分析评估及控制装置，用于分析评估位置测量头的位置信号以及用于控制对线圈布置结构的通电，以便相对于定子对转子进行位置控制，
其中，所述定子或转子具有至少一个使得面式标尺对于位置测量头可见的窗口，并且所述面式标尺在线圈布置结构和磁体布置结构之间延伸越过所述窗口，
转子包括由磁体排构成的各区域的棋盘式的布置形式，这些区域分别具有正方形的轮廓，在一个区域内的所有磁体具有统一的极性，而相邻的区域具有交替地相互垂直的极性，并且在相邻的磁体排之间分别构成将各磁体排相互分开的板条，所述磁体排和板条设置成，使得沿对角线相对置的磁体排的彼此倾斜对置的边界棱边相互对齐，并且沿相同方向延伸的、彼此邻接的边界板条分别具有数值等于板条宽度的侧向偏移量。
根据本发明，还通过一种定位台来实现所述目的，所述定位台具有根据本发明的平面定位装置、用于平面定位装置的保持和导向机构和用于保持要定位的物体的物体支座
所述目的还通过一种具有根据本发明的定位台加工设备和一种具有根据本发明的定位台的测量设备来实现。
本发明的第一方面包括这样的构思，设置面式标尺，所述面式标尺在定子(或转子)中的窗口上在线圈布置结构和磁体布置结构之间延伸并且为位置测量头提供了加大的位置检测范围。本发明的另一个构思是，所述面式标尺直接设置在磁体布置结构的至少一个部段上或备选地设置在线圈布置结构的至少一个部段上。根据本发明的另一个构思，所述面式标尺由不会影响定子和转子(具体而言：扁平线圈和永磁体)之间的磁场的材料组成。根据本发明这个方面的另一个部分构思，所述加大的面式标尺配设有用于确保在其整个延伸尺寸上存在平行与转子和定子的构型的保持机构，而不会出现明显的向下弯曲、拱曲或波状变形结构。
根据本发明这个方面的一个实施形式，面式标尺至少在转子或定子的面积的大部分上延伸。更为优选地所述面式标尺在转子或定子中的多个窗口或观察口上延伸。这至少在考虑到位置传感器装置的情况下使得定位装置具有这样的移动范围，所述移动范围基本上对应于驱动部件、即定子或转子的尺寸。
在另一个实施形式中，面式标尺由这样的材料制成并以这样的厚度制成，所述材料和厚度确保了高的固有刚度。这里原则上除了玻璃或陶瓷以外，也可以考虑采用金属，所述金属是非磁性的并且是不可磁化的，并且不会干扰定子和转子之间的磁场。在这个方面的一个设计方案中，所述面式标尺由玻璃、特别是硬化玻璃制成，或者由大硬度的铝合金制成。
在另一个设计方案中设定，所述面式标尺具有在0.3至3mm的厚度。具体选择的厚度当然与定位装置总体上的尺寸相关，并且与用于面式标尺的材料以及与适用的精度要求相关。
在本发明的另一个实施形式中，所述面式标尺安装在转子上，使得面式标尺支撑在转子上设置在磁体排之间的板条上。可以以类似的方式在定子上的相应板条或支撑点上实现对面式标尺的支撑。由此可以至少在朝转子或定子上的相应支撑点或线的方向上避免出现拱曲或波状变形。在板条或支撑点上特别是具有预先确定的弹性的粘合结构能进一步改进这个效果。
根据另一个实施形式，所述保持机构具有夹紧装置，所述夹紧装置用于沿转子或定子的两个延伸方向切向夹紧面式标尺。这种夹紧装置原则上是已知的，例如沿X和Y方向可移动的夹紧或夹持块就可以实现这个功能。
根据第二个方面，本发明以带有磁体排的棋盘式布置形式的转子构型为基础，其中，在相邻的磁体排之间分别设置起分隔作用的板条。这里提出，通常沿对角线方向相对置的磁体排的彼此倾斜相对置的边界棱边相互对齐。由此可以优化在定子和转子之间建立的磁场的构型。
特别是设定，沿相同方向延伸的、彼此邻接的边界板条分别具有数值等于板条宽度的侧向偏移量。
所述板条可以与转子或定位台的基体一体地构成，其方式例如是，在铣削用于磁体布置结构的凹口时留出所述板条。
一种本身已知的构型有利地使得可以实现工件或测量目标的旋转运动，在这种构型中，转子按棋盘式布置形式具有四个正方形的磁体排，并且这里沿对角线方向相对置的磁体排的相互对齐的边界棱边在中央的交叉点处交叉。
在另一个实施形式中设定，磁体排基本上覆盖转子的中央区域。但这不是本发明的必要特征，边界棱边相互对齐的布置结构在转子这样的实施形式中也可能是有利的，在该实施形式中，所述转子在中央区域中具有用于位置传感器装置的观察窗。
附图说明
本发明的优点和合理性还由下面参考附图对实施例的简要的说明得出。
图1和2示出已知的平面定位装置的示意性剖视图或俯视图，
图3A至3D示出根据本发明的实施形式的平面定位装置的透视剖视图、透视总体视图、透视剖视图和主要部件的分解视图；
图4示出根据图3A的平面定位装置的部分剖视图，其中示出磁场线；以及
图5示出根据本发明的一个实施形式的平面磁体布置结构的俯视图，所述磁体布置结构在根据图3A至3D和4的平面定位装置中使用。
具体实施方式
在图3A至3D和4中示出的根据本发明的平面定位装置10的实施形式具有扁平构成的定子(基体)19，所述定子带有平面的线圈布置结构11，在所述线圈布置结构上方设置罩状构成的转子/定位台13，所述转子带有集成的平面磁体布置结构(海尔贝克阵列)12。线圈布置结构11包括三相系统，为了清楚起见，在所述三相系统中，在图中分别沿X方向仅示出一个线圈11a，沿Y方向仅示出一个线圈11b以及线圈驱动板11c。在第一实施形式(图3A)中，和在上面说明的已知的布置结构中相同，在带有线圈布置结构11的定子19中设有用于(这里未示出的)位置测量头的中央的自由空间或窗口16，第二实施形式(图3A至3D)具有规则设置的多个窗口或观察口16，而在转子/定位台13的磁体布置结构12中不存在这种自由空间或这种窗口。磁体排无空缺地一直延伸到转子的中央。
在转子/定位台13的平面磁体布置结构12的下侧上固定地安装在转子的整个延伸尺寸上延伸的由玻璃制成的面式标尺17。所述面式标尺17优选在转子/定位台13的外棱边上用在图中没有示出的夹紧装置夹紧在XY平面中和/或弹性地粘合在转子上。如在根据图4的部分视图中示出的那样，线圈布置结构11和磁体布置结构12之间的磁力线分布不会受到位于其间的面式标尺17的干扰。除了利用玻璃，这个效果也可以利用非金属材料或者也可以利用非磁性并且不可磁化的金属实现，例如利用陶瓷或铝合金，这种材料由于其机械特性和适中的成本而被考虑用于实施所述面式标尺。
图5示出磁体布置结构12的一个实施形式，所述磁体布置结构具有四个在外轮廓上为正方形的磁体排12a-12d，在这些磁体排之间设有分隔板条12e-12h。如上面说明的那样，所述磁体排在平面定位装置的这个实施形式中一直延伸到定位装置的中央。
为了使沿对角线方向相对置的磁体排12a和12c或12b和12d的通常彼此倾斜相对置的边界棱边相互对齐地定向，边界板条12e和12g或12f和12h不是相互对齐，而是相对于彼此有一定的偏移量，所述偏移量近似等于板条宽度。通过沿对角线方向相对置的磁体排的相关边界棱边相互对齐的布置形式，可以优化所述定位装置的转子中的平面磁体布置结构和定子中的平面线圈布置结构之间的磁场构型。由此，为了产生力而直线形地位于线路板中的线圈导线无空缺地覆盖沿对角线方向产生的并且相互邻接的各磁场或者在所述磁场之间没有相移。
板条12e-12h此外还可以在其高度上设计成，使得所述板条同时用作用于根据图3和4安装在磁体布置结构下方的面式标尺的支承线结构并且支撑所述面式标尺，使得基本上避免了所述面式标尺发生朝磁体布置结构方向的拱曲或波状变形，这种拱曲或波状变形会使得位置测量失真。特别有利地可以与转子外棱边上的另外的保持机构的夹紧装置相结合来实现这个效果。
本发明的实施不仅限于所述实施例，而是同样可以进行多种改型，这些改型是在本领域技术人员的技术处理能力范围之内的。

Claims (15)

1.平面定位装置，具有：
定子，所述定子包括由扁平线圈构成的线圈布置结构，
在定位装置的运行位置中与定子相对置地设置的转子，所述转子具有由多个磁体排组成的平面的磁体布置结构，通过所述平面的磁体布置结构限定的平面设置成平行于线圈布置结构的平面，
在定位装置的运行位置中设置在定子或转子内部的位置测量头，用于检测转子相对于定子的位置，
位置准确地固定在转子或定子上的面式标尺，
以及分析评估及控制装置，用于分析评估位置测量头的位置信号以及用于控制对线圈布置结构的通电，以便相对于定子对转子进行位置控制，
其中，所述定子或转子具有至少一个使得面式标尺对于位置测量头可见的窗口，并且所述面式标尺在线圈布置结构和磁体布置结构之间延伸越过所述窗口，
转子包括由磁体排构成的各区域的棋盘式的布置形式，这些区域分别具有正方形的轮廓，在一个区域内的所有磁体具有统一的极性，而相邻的区域具有交替地相互垂直的极性，并且在相邻的磁体排之间分别构成将各磁体排相互分开的板条，所述磁体排和板条设置成，使得沿对角线相对置的磁体排的彼此倾斜对置的边界棱边相互对齐，并且沿相同方向延伸的、彼此邻接的边界板条分别具有数值等于板条宽度的侧向偏移量。
2.根据权利要求1所述的平面定位装置，其中，转子按棋盘布置形式具有四个正方形的磁体排，相互对齐的边界棱边在中央的交叉点处相交。
3.根据权利要求1或2所述的平面定位装置，其中，各磁体排基本上覆盖转子的中央区域。
4.根据权利要求1所述的平面定位装置，其中，每个磁体排都构成一个海尔贝克阵列。
5.根据权利要求1所述的平面定位装置，其中，面式标尺直接设置在磁体布置结构或线圈布置结构的至少一个部段上，所述面式标尺由不影响定子和转子之间的磁场的材料组成，并且给所述面式标尺配设用于确保在其整个延伸尺寸上具有与转子和定子平行的构型的保持机构。
6.根据权利要求5所述的平面定位装置，其中，面式标尺至少在转子或定子的面积的大部分上延伸和/或在转子或定子中的多个窗口上延伸。
7.根据权利要求5所述的平面定位装置，其中，所述面式标尺由这样的材料制成并以这样的厚度制成，所述材料和厚度确保了高的固有刚度。
8.根据权利要求5所述的平面定位装置，其中，所述面式标尺由玻璃或者由大硬度的铝合金制成。
9.根据权利要求5所述的平面定位装置，其中，所述面式标尺具有在0.5至3mm之间的厚度。
10.根据权利要求5所述的平面定位装置，其中，所述面式标尺安装在转子上，使得面式标尺支撑于在转子上设置在磁体排之间的板条上。
11.根据权利要求5所述的平面定位装置，其中，所述保持机构具有夹紧装置，所述夹紧装置用于沿转子或定子的两个延伸方向切向夹紧面式标尺。
12.根据权利要求5所述的平面定位装置，其中，保持机构包括在面式标尺和设置有面式标尺的转子或定子之间的粘合连接部。
13.定位台，所述定位台具有根据上述权利要求之一所述的平面定位装置、用于平面定位装置的保持和导向机构和用于保持要定位的物体的物体支座。
14.加工设备，具有根据权利要求13所述的定位台。
15.测量设备，具有根据权利要求13所述的定位台。
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