DD276558A1 - Mehrkoordinaten-positioniersystem - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Mehrkoordinaten-Positioniersystem in Einebenenausfuehrung fuer Bewegungen in x-, y- und f-Richtung, das vorzugsweise dort in der Geraetetechnik Anwendung finden kann, wo Objekte, z. B. ein Tisch, schnell und genau positioniert werden muessen. Ziel der Erfindung ist ein Mehrkoordinaten-Positioniersystem, bei dem die Anordnung der Antriebsbaugruppen so erfolgt, dass die Translationsbewegungen des zu positionierenden Tisches in den Koordinaten x und y in einer ersten Ebene und die Drehbewegung um die z-Achse in einer zweiten, parallelen Ebene mit geringstem Abstand zur ersten realisiert werden. Aufgabe der Erfindung ist es, ein Mehrkoordinaten-Positioniersystem in Einebenenausfuehrung zu schaffen, mit dem ein Tisch schnell, genau und reproduzierbar in den Richtungen x, y und f bewegt werden kann. Erfindungsgemaess wird die Aufgabe dadurch geloest, dass sich der zu positionierende Tisch auf drei ebenen Lagern abstuetzt, die sich oberhalb der drehbar gelagerten Montageplatte des Positioniersystems befinden und die eine Bewegung des Tisches in x- und y-Richtung erlauben. Der Abstand zum Lager der planparallelen Montageplatte ist im Ausfuehrungsbeispiel nur durch deren Dicke bestimmt. Die Antriebsbaugruppen des x- und y-Systems sind zueinander ortsunveraenderlich. Dafuer existiert fuer jede translatorische Koordinate eine geradgefuehrte Anlageleiste, die fuer diese Einheit Koppelelement zwischen Tisch und Antriebsbaugruppe darstellt und fuer die orthogonal dazu liegende Fuehrungselement des Tisches ist. Fig. 1

Description

Hierzu 3 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Mehrkoordinaten-Positioniersystom in Einebenencusführung zum Bewegen von Werkstücken, Prüflingen, Substrnten oder ähnlichen Objekten, die sich auf einem Tisch befinden und in zwei translatorischen, orthogonal zueinander stehenden Koordinaten χ und γ sowie einer rotatorischon Koordinate bewegbar sein sollen. Das Positioniersystem findet vorzugsweise dort in der Gerätetechnik Anwendung, wo eine hohe Arbeitsgeschwindigkeit, minimale Baugröße und einfach herstellbare Lager und Führungen gefordert sowie nur geringe vertikale Abweichungen im Bewegungsboreich des Tisches zulässig sind.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Traditionell werden zur Pos'tioniorung von Objekten in mehroron Koordinaten so viele Antriebsbaugruppen übereinander angeordnet und montiert, wie Freiheiten gefordert sind. Dieses sog. .Huckepackprinzip" schließt den Nachteil ein, daß für die Antriebselemente unterschiedliche Belastungsvorhältnisse entstehen, da jede Antriebsbaugruppe alle über ihr liegenden mitbewegt. Damit sind schnelle Positioniervorgänge nur bedingt realisierbar. Außerdem troten sich summierende Abweichungen in z-Richtung auf. Aus diesen und weiteren Gründen entstanden Positio.iiersysteme nach dem Einobencnprinzip, vxo die Tisthalger eine Bewegung des Tisches in x- und y-Rirhtung sowie teilweise auch in φ-Richtung zulassen, wobei die Antriebsbaugruppen zueinander nicht ortsveränderlich -zumeist gestellfest - angeordnet sind. Eino Entwicklungsrichtung dabei ist die Schaffung von Zwei-Koordinater.motoren, die eine Positionierung in x- und y-Richtung, bei Reduzierung der mechanischen Funktionselemente auf ein Minimum, in Form der Einebenenpositionierung z'jiassen. Sie existieren kontinuierlich arbeitend und als Schrittmotor. Ihr Nachteil besteht in der komplizierten Fertigung und der stark begrenzten Masse, die sie bewegen können. Andere Einebenenlösung'sn, din zui Realisierung von Ju.ttageaufgaben bzw. zur Mikromanipufierung dienen, besitzen nur sehr kleine Siellbereicho und eignen sich somit nur für Spezialanwendungen (DD 240627, DD 136671). Die Variante mit einer Roüschwingo (DD 158443) ist wegen der vielen Federelemente, deren Kraft sich in Abhängigkeit von der Istposition ändert, dynamisch anfällig und besitzt in z-Richtung sehr große Abmessungen. Bei der in

Patentschrift DD 140304 vorgestellten Konstruktion sind die Belastungsverhältnisse für die Antriebselemente unterschiedlich, obwohl ein xy-Positioniersystem in Einebenenausführugn vorliegt. Bei ihr sind die Führungsleisten für beide Koordinaten T-förmig starr miteinander verbunden und werden nur bei Bewegung in x-Richtung mitverschoben. Analog liegt das Problem bei den Kreuztischen ge maß US-PS 3722996 und OS 2218164. Sie besitzen ebenfalls fest verbundene Führungsleisten, bei der einen Lösung winkelförmig und bei der anderen kreuzförmig. Nachteile der Einebenunkreuztische nach DD 210437 und DS 2917236 sind die nur durch die antreibenden Zahnstangen- und Schraubengetriebe gegebenen Führungen und damit eine eingeschränkte erreichbare Genauigkeit. Analog gilt das für den Kreuztisch nach OD 236893.

Das Einebenen-Positioniersystem für x-, y- und φ-Bewegungen mit aktiven Auflagekugeln (DD 239054) ist gegen Störeinflüsse außerordentlich empfindlich, da der Tisch keine echte Führung besitzt und nur durch die Wirkung der Hafttreibung zwischen Tisch und den drei Auflagekugeln in seiner Position gehalten wird.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, ein Mehrkoordinaten-Positioniersystem in Einebenenausführung zu schaffen, das bei kleiner Baugröße und geschlossener Bauform schnelles, hochgenaues Positionieren in den Koordinaten x, y und φ zuläßt, wobei die o. g. Nachteile des Standes der Technik überwunden werden sollen.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es, ein schnelles, hochgenaues Mehrkoordinaten-Positioniersystem in Einebenenausführung zu schaffen, dessen Aufbau minimale Baugröße sichert und Bewegungen in den Koordinaten x, y und φ zuläßt. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß zur Bewegungserzeugung in x- und y-Richtung zwei gleichartige Antriebsbaugruppen existieren, die ein mit dem Antriebsmotor gekoppeltes, spielfreies Schraubengetriebe besitzen. Dessen Übersetzungsverhältnis errechnet sich aus i «= Φαν/Sao = 2n/P, wobei P die Steigung der Spindel ist. Mit der Mutter des Schraubengetriebes ist eine geradgeführte Anlagenleiste kraftschlüssig verbunden. Die Anlageleiste stellt für die eine Translationsbewegung Koppelelement zum darüberliegonden, in einer Ebene in zwei Richtungen verschiebbaren Tisch dar und sichert für die orthogonal dazu ausgerichtete Bewegung die Führung desselben. Dip Verbindung zwischen Mutter und geradgoführter Anlageleiste erfolgt über einen zug- und drucksteifen, biegeolastischen St?\ der die Bewegung auf die Anlageleiste überträgt und Parallelitätsabweichungen zwischen Spindelaclise und Führungsachse der Anlageleiste sowie Rundlaufabweichungen der Spindel ausgleicht. Eine zusätzliche Vorrichtung verhindert das Verdrehen und Verkippen der Mutter. Die Geradheit der Anlageleisten und deren Führungen sowie die Einhaltung deren Orthogonalität zueinander bestimmen die Güte der Tischpositionierung bei Bewegung in x- und y-Richtung. Die sichere Anlage des Tisches an die Leisten erfolgt mittels Gleit- oder Wälzkörper an drei Punkten der beiden Anlageleisten und ist spiel- und kippfehlerfrei. Dafür sorgen außerdem Kräfte, die ve η Permanentmagneten oder Federelementen aufgebracht worden können.

Da der Tisch für die Bewegung in x- und y-Richtung nur eine Lagerebene besitzt, treten Abweichungen in z-Richtung bei der Tischbewegung nur einfach auf.

Um den Tisch in einem Bereich von S 1b* drehen zu können, wurde in den Gesamtaufbau unterhalb der Montageplatte, die das xy-System trägt, ein Drehpositioniersystem integriert, das sich von bisher bekannten Varianten unterscheidet. Es besitzt in seiner ersten Getriebestufe ein Schraubengetriebe, des analog den Schi aubengetricben der Antriebsbmigruppen für χ und y aufgebaut ist. Die zweite Getriebestufe ist ein Zugmittelgetriebe, das die Translationsbewegung der Mutter über das Zugmittel auf den Umfang zweier zylinderförmigen Wälistücke, die fest mit der drehbar gelagerten Montageplatte verbunder sind, überträgt, dabei in eine Drehbewegung umformt und somit eine definierte Rotation der Montageplatte erzeugt. Beide Getriebestufen sind spielfrei ausgeführt. Das Drehpositioniersystem ist so in den Gesamtaufbau angeordnet, daß kleine Baugröße gesichert wir J, da der Abstand der Ebene der Drehbewegung von der Ebene der Translutionsbewey ungen nur durch die Dicke der planparallelen Montageplatte bestimmt ist.

Durch eine besondere Gestaltung der Form der Montageplatte kann man auch erreichen, daß beide Ebenen zusammenfallen. Das Übersetzungsverhältnis des Drehpositioniersystems errechnet aich aus i = Ψαν/Ψαβ = 2nr/Pmitr = Radius der Walzstücke und P = Steigung der gestellfest gelagerten Spindel. Die Variation von P und r ermöglicht eine Grob- bzw. Feineinstellung des Übersetzungsverhältnisses und damit der Einfühligkeit der Drehpositionierung.

Die Gestaltung des Tisches erfolgt so, daß an ihm direkt die Wegmessungen für χ und y erfolgon können. Die Ermittlung des zurückgelegten Winkels erfolgt entweder direkt an der Montageplatte oder indirekt durch Messung an einem Getriebeelement. Im Ausführungsbeispiel wird der Weg s der Mutter der ersten Getriebstufe gemessen. Der Abst, ndswinkel ergibt sich dabei zu

Ψαβ = 360° · s/2 nr.

Ein am Gestell oberhalb der Tischplatte fest montiertes Bremssystem, bestehend aus zwoi elektromagnetischen Bremsen, ermöglicht das Bremsen des Tisches sowie das Festhalten in einer Ebene bis zum nächsten Bewegungszyklus für allo drei Koordinaten gleichzeitig.

Ausführungsbeispiel In den Figuren zeigen

Fig. 1: Explosivdarstellung der bewegten Baugruppen Fig. 2: Anordnung aller Baugruppen im Gesamtaufbau Fig. 3: Aufbau der Antriebsbaugruppen für Translationsbewegungen (Prinzipdarstellung) Fig. 4: spezielles Drehpesitioniersystem (Prinzipdarstellung, Ansicht von unten)

Das erfindungsgemäCe Mehrkoordinaten-Positioniersystem sstzt sich aus einem Einebenen-Kreuztisch und einem speziellen Drehpositioniersystem zusammen.

Dig in der Grundplatte 1 drehbar gelagerte Montageplatte 2 stützt an drei Lagerstellen 3.1,3.2,3.3, die eine Bewegung in mehreren Koordinaten zulassen, den Tisch 4 des xy-Positioniersysterns ab. Unterhalb sind über Stützen 5.1 ...5.4 zwei orthogonal zueinander stehende Führungsstangen 6.1, S.2 befestigt, die eine Geradführung der Anlagelaisten 7.1,7.2, die ebenfalls orthogonal zueinander angeordnet sind, über spezielle Rahmen 8.1,8.2 sichern. Die Montageplatte besitzt eine kreuzförmige Aussparung, durch die eine am Tisch montierte Anordnung von drei Gleitstücken 9.1,9.2,9.3 (verdeckt) und drei Permanentmagneten 10.1,10.2,10.3 sowie den notwendigen Verbindungselementen hindurchgesteckt wird. Die Magnetkraft zieht die Anlageleisten an die entsprechenden Gleitstücke. Boi Translationsbewegung der Anlageleisten in die eine Richtung wird der Tisch geschoben, bei Bewegung in die Gegenrichtung gezogen, wobei die Magnetkraft ein Abreißen verhindert. Wegen der Dreipunktanlage kann ein ungewolltes Verdrehen des Tisches in der xy-Ebene nicht auftreten. Bei Bewegung in der einen translatorischen Koordinate realisiert die Anlageleiste der anderen Koordinate über die Gleitstücken die Führung der Längsbewegung des Tisches. Damit sich die Anlageleiste in einer definierten Ebene bewegt und sich nicht um die Führungsachse verdrehen kann, existieren Gleitelemente 11.1,11.2, die über nicht dargestellte Stützen mit der Montageplatte verbunden sind. Die Antriebsbaugruppen des xy-Systems 20 sind ebenfalls über Stützen an der Montageplatte befestigt. Ihr Abstand von der Montageplatte ist, wie aus Fig, 1 hervorgeht, unterschiedlich.

Für eine geschlossene Bauform sorgen vier Seitenwinde 13.1... 13.4, zwei U-förmige Abdeckbleche 14.1,14.2 und ein mittels Schiene 19 am oberen Abdeckblech und mittels Rahmen 17 am Tisch befestigtes, elastisches Tuch 18. Oborhalb des Tisches befinden sich außerdem zwei topfförmige Elektromagnete 16.1,16.2, die über entsprechend gestaltete, biegeelemente Bleche 15.1,15.2 am Gestell befestigt sind und bei Inbetriebnahme auf die Oberfläche des Tisches aufsetzen und die Bewegung des Tisches bremsen und ihn in seiner Position halten. Die Antriebsbaugruppen des xy-Systems sind gleich. Die Antriebsbewegung des Rotationsmotors 26 wird über eine Kupplung 27 auf eine Spindel 28 übertragen und in eine Translationsbewegung der Mutter 29 umgeformt, die über ein zug-Zdrucksteifes, biegeelastisches, stabförmiges Element 30 eine Vorschubbewegung der mit dem speziellen Rahmen 8 verbundenen, geradgeführten Anlageleiste 7 erzeugt. Das stabförmige Element gleicht ParallelitStftabweichungen zwischen Spindel- und Führungtachse der Anlageleiste sowie Rundlaufabweichungen der Spindel aus. Ein Bolzen 31, welcher einseitig in die Mutter eingespannt und am anderen Ende in einem um die Führungsachse der Anlageleiste drehbeweglichen speziellen Führungselement 32 geradgoführt ist, verhindert das Verdrehen und Verkippen der Mutter. Die an der Seitenwand 13.1 montierte Ar.triebsbaugruppe der Drehpositionierung 12 besitzt ein zweistufiges Getriebe, dessen erste Stufe ein Schraubengetriebe mit dem gleichen Aufbau wie im xy-System ist. Anstelle der Anlageleiste ist aber am Abtrieb 35 dieser Antriebsbaugruppe das Stahlband eines speziellen Zugmittelgetriebes befestigt. Dor als zweite Getriebestufe existierende Translations-Rotations-Umformer setzt sich aus dem Stahlband 23, zwei Umlenkgleitstücken 25.1,25.2, zwei Wälzstücken 24.1,24.2, zwei Haltern 21.1,21.2, zwei speziollen Exzenterschrauben 22.1,22.2 und der Montageplatte als Abtriebselement zusammen. Die Umlenkgleitstücke werden an der Grundplatte, die Wälzstücke und die Halter an der Unterseite der Montageplatte befestigt. An seinen Enden ist das Stahlband in den Haltern fest eingespannt. Die in der Montageplatte drehbaren und fest arretierbaren Exzenterschraubun dienen zum Spannen des Stahlbandes. Bewegt sich der Antrieb der trnnslatorischen Antriebsbaugruppe, nimmt er das Stahlband mit. Dieses gleitet über die Umlenkgloitstücke, wälzt sich au, den Wllzstücken ab und erzeugt eine Drehbewegung der Montageplatte.

Claims (8)

1. Mehrkoordinaten-Positioniersystem in Einebenenausführung für x-, y- und φ-Bewegungen mit zueinander ortsunveränderlichen x- und y-Antriebsbaugruppen, gekennzeichnet dadurch, daß zwischen Antriebsbaugruppe und Tisch für jede translatorische Koordinate eine geradgeführte Anlageleiste existiert, die für diese Koordinate Koppelelement und für die orthogonal dazu befindliche Koordinate Führungselement des Tische- ist.

2. Mehrkoordinaten-Positioniersystem nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Kopplung zwischen Tisch und Anlageleisten kraftschlüssig realisiert ist, «vobei die Mitnahme und Führung des Tisches an der einen Anlageleiste an zwei Punkten und an der anderen an einem Punkt erfolgt.

3. Mehrkoordinaten-Positioniersystem nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß ein Schraubengetriebe als Rotations-Translations-Umformer Verwendung findet.

4. Mehrkoordinaten-Positioniersystem nach Anspruch 2, gekennzeichnet dadurch, daß die Verbindung zwischen Mutter und geradgeführter Anlageleiste gleichzeitig biegeelastisch und zug-/drucksteif ist.

5. Mehrkooordinaten-Positioniersystem nach Anspruch 4, gekennzeichnet dadurch, daß als Verbindung ein stabförmiges Element dient, welches die Mutter mit der geradgeführten Anlageleiste biegeelastisch und zug-/drucksteif verbindet, und daß ein zweites stabförmiges Element in der Mutter einseitig fest eingespannt und am anderen Ende in einem um die Führungsachse der Anlageleiste drehbeweglichen Element geradgeführt ist.

6. Mehrkoordinaten-Positioniersystom nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß zur Drehpositionierung ein gestellfestes Antriebssystem dient, zu dem ein zweistufiges, hochübersetzendes Getriebe gehört, das aus einem Schraubengetriebe zur Rotations-Translations-Umformung als erste Getriebestufe und einem Zugmittelgetriebe zur Translations-Rotations-Umformung als zweite Getriebestufe besteht.

7. Mehrkoordinaten-Positioniersystem nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß eine gestellfeste, gleichzeitig auf alle drei Koordinaten einwirkende Magnetbremse vorhanden ist.

8. Mehrkoordinaten-Positioniersystem nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die gesamte Anordnung staubdicht verschlossen ist, indem ein dünnwandiges, starres Gehäuse alle Baugruppen umschließt und der Bewegungsbereich des Tisches mit einem über den Verfahrweg elastischem Tuch in einer Ebene abgedichtet wird.