DE10125031A1

DE10125031A1 - Tischpositioniervorrichtung

Info

Publication number: DE10125031A1
Application number: DE10125031A
Authority: DE
Inventors: Jiro Chiba
Original assignee: Harmonic Drive Systems Inc
Current assignee: Harmonic Drive Systems Inc
Priority date: 2000-05-24
Filing date: 2001-05-22
Publication date: 2002-01-03
Anticipated expiration: 2021-05-23
Also published as: JP2001328043A; US20020003413A1; US6651969B2; DE10125031B4

Abstract

Eine Tischpositioniervorrichtung besitzt einen beweglichen Tisch und drei Tischbewegungsmechanismen zum Bewegen des beweglichen Tisches sowie drei Positionssensoren zum Erfassen von Positionen in verschiedenen Richtungen des beweglichen Tisches. Auf der Basis der erfassten Daten der Positionssensoren werden die Tischbewegungsmechanismen derart gesteuert, dass sie den beweglichen Tisch in eine gewünschte Position bewegen. Die Tischbewegungsmechanismen weisen exzentrische Steuerflächenglieder (601 bis 603) sowie drei Paare paralleler Platten auf. Die Steuerflächenglieder sind zwischen den jeweiligen Paaren der parallelen Platten sandwichartig angeordnet. Da Tischbewegungsmechanismen vom Typ mit exzentrischen Steuerflächengliedern verwendet werden und die von den Tischbewegungsmechanismen veranlassten Bewegungsbeträge des Tisches rückgekoppelt werden, lässt sich eine kleine und kostengünstige Tischpositioniervorrichtung verwirklichen. Es ist nicht notwendig, einen Vorspannmechanismus vorzusehen, um den beweglichen Tisch und die Steuerflächenglieder in einem Berührungszustand zu halten, wodurch sich die Konstruktion der Vorrichtung vereinfachen lässt und sich die Herstellungskosten vermindern lassen.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG GEBIET DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Tischpo sitioniervorrichtung zum Positionieren eines beweglichen Tisches, der in einer Referenzebene zweidimensional be wegt oder rotationsmäßig bewegt werden kann, in eine ge wünschte Position oder rotationsmäßige Winkelstellung mit hoher Genauigkeit.

Im spezielleren bezieht sich die vorliegende Erfindung auf eine Tischpositioniervorrichtung, die einen Tischbe wegungsmechanismus mit hoher Steifigkeit aufweist, der hinsichtlich seiner Ausbildung zur Reduzierung seiner Größe und Kosten beiträgt.

BESCHREIBUNG DES EINSCHLÄGIGEN STANDES DER TECHNIK

Im allgemeinen weist ein X-Y-Tisch-Mechanismus einen feststehenden Tisch, einen X-Achsen-Tisch, der an dem feststehenden Tisch in linear in Richtung der X-Achse hin und her beweglicher Weise angebracht ist, einen Y-Achsen-Tisch, der an dem X-Achsen-Tisch in linear in Richtung der Y-Achse hin und her beweglicher Weise ange bracht ist, sowie einen Linearantriebsmechanismus zum Bewegen dieser Tische in einer derartigen Weise auf, dass diese in zwei Dimensionen in einer gewünschten Po sition angeordnet werden.

Ferner weist der X-Y-Tisch-Mechanismus einen Klemm mechanismus zum Feststellen der Tische in einer ge wünschten Position auf, nachdem sie in die gewünschte Position bewegt worden sind. Wenn die Tische in eine an dere Position bewegt werden, wird die Klemmwirkung des Klemmmechanismus aufgehoben, um den Tischen eine freie Bewegung zu ermöglichen, und der Linearantriebsmechanis mus wird zum Bewegen der Tische angesteuert.

Ein Hauptziel der vorliegenden Erfindung besteht in der Schaffung einer Tischpositioniervorrichtung, die einen Tischbewegungsmechanismus zum Bewegen von Tischen in ei ner Referenzebene aufweist, wobei der Tischbewegungsme chanismus derart ausgebildet ist, dass er eine hohe Steifigkeit besitzt und sich seine Größe sowie Kosten reduzieren lassen.

KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Zum Erreichen der vorstehend genannten sowie weiterer Ziele wird gemäß der vorliegenden Erfindung eine Tisch positioniervorrichtung geschaffen, mit einem feststehen den Tisch, der auf seiner Oberfläche mit einer Referenz ebene ausgebildet ist, mit einem beweglichen Tisch, der auf dem feststehenden Tisch derart gelagert ist, dass er sich in zwei Dimensionen auf der Referenzebene bewegen kann, und mit einer Mehrzahl von Tischbewegungsmechanis men zum Bewegen des beweglichen Tisches auf der Refe renzebene, dadurch gekennzeichnet, dass jeder der Tischbewegungsme chanismen einen Servomotor, ein exzentrisches Steuerflä chenglied, das durch den Servomotor rotationsmäßig be wegt wird, sowie eine erste und eine zweite parallele Platte aufweist, die derart an dem beweglichen Tisch an gebracht sind, dass das exzentrische Steuerflächenglied sandwichartig zwischen ihnen angeordnet ist, wodurch ei ne exzentrische Rotationsbewegung des exzentrischen Steuerflächenglieds in eine lineare Bewegung des beweg lichen Tisches umgewandelt wird.

Die Tischbewegungsmechanismen können einen ersten, einen zweiten und einen dritten Tischbewegungsmechanismus mit derselben Konstruktion aufweisen. In diesem Fall ist es bevorzugt, dass die Tischpositioniervorrichtung einen ersten, einen zweiten und einen dritten Sensor zum De tektieren der jeweiligen Bewegungsbeträge des bewegli chen Tisches aufweist, die durch den jeweiligen ersten, zweiten und dritten Tischbewegungsmechanismus veranlasst werden.

Ferner ist es auch bevorzugt, dass der erste und der zweite Tischbewegungsmechanismus derart ausgebildet sind, dass sie den beweglichen Tisch an verschiedenen Stellen in einer ersten Richtung bewegen, wobei der dritte Tischbewegungsmechanismus dazu ausgebildet ist, den beweglichen Tisch in einer zu der ersten Richtung rechtwinkligen, zweiten Richtung zu bewegen. Bei dieser Konfiguration wird das Ausmaß der exzentrischen Rotati onsbewegung des exzentrischen Steuerflächenglieds in je dem der Tischbewegungsmechanismen derart gesteuert, dass eine lineare Bewegung und eine Rotationsbewegung des be weglichen Tisches verwirklicht werden kann.

Andererseits wird gemäß der vorliegenden Erfindung eine Tischpositioniervorrichtung geschaffen, mit einem fest stehenden Tisch, der auf seiner Oberfläche mit einer Re ferenzebene ausgebildet ist, mit einem beweglichen Tisch, der auf dem feststehenden Tisch derart gelagert ist, dass er sich in zwei Dimensionen auf der Referenze bene bewegen kann, und mit einer Mehrzahl von Tischbewe gungsmechanismen zum Bewegen des beweglichen Tisches auf der Referenzebene, dadurch gekennzeichnet, dass die Tischpositioniervor richtung eine Tischpositions-Detektionseinrichtung zum Detektieren einer Position des beweglichen Tisches, ei nen Klemmmechanismus zum Feststellen des beweglichen Ti sches sowie eine Steuereinrichtung zum Steuern der Tischbewegungsmechanismen und des Klemmmechanismus in einer derartigen Weise aufweist, dass der bewegliche Tisch auf der Basis einer von der Tischpostions-Detekti onseinrichtung detektierten Position des beweglichen Ti sches in einer gewünschten Position angeordnet wird, wo bei die Tischbewegungsmechanismen wenigstens einen er sten, zweiten und dritten Tischbewegungsmechanismus auf weisen, deren jeder einen Linearbewegungsmechanismus zum linearen Bewegen des beweglichen Tisches aufweist, und wobei der Linearbewegungsmechanismus einen Servomotor, der von der Steuereinrichtung gesteuert und angetrieben wird, ein exzentrisches Steuerflächenglied, das durch den Servomotor rotationsmäßig bewegt wird, sowie eine erste und eine zweite parallele Platte aufweist, die an dem beweglichen Tisch derart angebracht sind, dass das exzentrische Steuerflächenglied sandwichartig zwischen diesen angeordnet ist, wodurch eine exzentrische Rotati onsbewegung des exzentrischen Steuerflächenglieds in ei ne Linearbewegung des beweglichen Tisches umgewandelt wird.

Die Tischpositions-Detektionseinrichtung weist vorzugs weise einen ersten, einen zweiten und einen dritten Po sitionssensor zum Detektieren der Bewegungsbeträge des beweglichen Tisches auf, die durch die jeweiligen exzen trischen Steuerflächenglieder veranlasst werden.

Ferner ist es auch bevorzugt, dass der erste und der zweite Tischbewegungsmechanismus dazu ausgebildet sind, den beweglichen Tisch in unterschiedlichen Positionen in einer ersten Richtung bewegen, und der dritte Tischbewe gungsmechanismus derart ausgebildet ist, dass er den be weglichen Tisch in einer zu der ersten Richtung recht winkligen, zweiten Richtung bewegt. Bei dieser Konfigu ration wird das Ausmaß an exzentrischer Rotationsbewe gung des exzentrischen Steuerflächenglieds bei jedem der Tischbewegungsmechanismen gesteuert, so dass eine linea re Bewegung und eine Rotationsbewegung des beweglichen Tisches verwirklicht werden können.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Tischpo sitioniervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2A und 2B eine Seitenansicht bzw. eine Draufsicht auf einen Tischbewegungsmechanismus der Vorrich tung der Fig. 1;

Fig. 2C eine grafische Darstellung zur Erläuterung einer Hubbewegung eines Tischberührungspunkts eines exzentrischen Steuerflächenglieds in Bezug auf den Rotationswinkel des exzentri schen Steuerflächenglieds; und

Fig. 3 ein schematisches Blockdiagramm eines Steuer systems der Vorrichtung der Fig. 1

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DES BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGS BEISPIELS

Unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen wird nun ein Beispiel einer Tischpositioniervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben.

Gesamtkonstruktion

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Tisch positioniervorrichtung gemäß dem vorliegenden Ausfüh rungsbeispiel. Wie in dieser Zeichnung zu sehen ist, be sitzt die Tischpositioniervorrichtung 1 einen festste henden Tisch 2, der auf seiner Oberfläche mit einer Re ferenzebene 3 ausgebildet ist, sowie einen beweglichen Tisch 4, der auf der Referenzebene 3 derart angebracht ist, dass er sich längs der Referenzebene 3 bewegen kann. Ferner besitzt die Tischpositioniervorrichtung 1 einen ersten und einen zweiten Tischbewegungsmechanismus 401 und 402 zum Bewegen des beweglichen Tisches 4 linear entlang einer Y-Achsen-Richtung auf der Referenzebene 3 sowie einen dritten Tischbewegungsmechanismus 403 zum Bewegen des beweglichen Tisches 4 linear entlang einer X-Achsen-Richtung auf der Referenzebene 3.

Weiterhin weist die Tischpositioniervorrichtung 1 einen ersten, einen zweiten und einen dritten Positionssensor 6A, 6B und 6C zum Erfassen der jeweiligen Beträge der Tischbewegung, die durch die jeweiligen Tischbewegungs mechanismen 401, 402 und 403 hervorgerufen worden sind, sowie einen Klemmmechanismus 9 zum Feststellen des be weglichen Tisches auf, um diesen auf dem feststehenden Tisch 2 in seiner Position festzulegen.

Die Tischbewegungsmechanismen 401, 402 und 403 des vor liegenden Ausführungsbeispiels besitzen Servomotoren 501, 502 und 503, scheibenförmige exzentrische Steuer flächenglieder 601, 602 und 603, die exzentrisch an Aus gangswellen 501a, 502a und 503a der Servomotoren ange bracht sind, sowie drei Paare paralleler Platten 701, 702 sowie 711, 712 und 721, 722, die derart an dem be weglichen Tisch 43 angebracht sind, dass sie exzentri schen Steuerflächenglieder 601, 602 und 603 zwischen den entsprechenden Paaren der parallelen Platten sandwichar tig angeordnet sind.

Genauer gesagt ist das exzentrische Steuerflächenglied 601 sandwichartig zwischen den parallelen Platten 701 und 702 entlang der Y-Richtung angeordnet, und das ex zentrische Steuerflächenglied 602 ist zwischen den pa rallelen Platten 711 und 712 ebenfalls entlang der Y-Richtung sandwichartig angeordnet. Somit wird das exzen trische Steuerflächenglied 601 oder 602 in exzentrischer Weise rotationsmäßig bewegt, so dass es den beweglichen Tisch 4 entlang der Y-Richtung bewegt. Im Gegensatz dazu ist das exzentrische Steuerflächenglied 603 zwischen den parallelen Platten 721 und 722 entlang der X-Richtung sandwichartig angeordnet, und eine Rotationsbewegung desselben verursacht eine Bewegung des beweglichen Ti sches 4 in der X-Richtung. Außerdem werden die Rotati onsbeträge dieser exzentrischen Steuerflächenglieder 601, 602 und 603 separat gesteuert, so dass der bewegli che Tisch 4 auf der Referenzebene in eine gewünschte Po sition bewegt wird und um eine zu der Referenzebene senkrechte Achse rotationsmäßig bewegt wird.

Die Fig. 2A und 2B veranschaulichen eine Arbeitsweise des exzentrischen Steuerflächenglieds 603 zum Bewegen des beweglichen Tisches 4. Wie in dieser Zeichnung zu sehen ist, beinhaltet der dritte Tischbewegungsmechanis mus 403 den Servomotor 503, das auf der Ausgangswelle 503a des Motors 503 angebrachte exzentrische Steuerflä chenglied 603 sowie ein Paar paralleler Platten 721 und 722, zwischen denen das exzentrische Steuerflächenglied 603 von beiden Seiten her entlang der X-Richtung sand wichartig eingeklemmt wird. Der Servomotor 513 wird an getrieben, um das exzentrische Steuerflächenglied 603 in exzentrischer Weise rotationsmäßig zu bewegen, wobei ein Paar Berührungspunkte zwischen dem exzentrischen Steuer flächenglied 603 und den parallelen Platten 721, 722 wechselweise entlang der X-Richtung verlagert werden. Zum Beispiel wird der Berührungspunkt A zwischen dem Steuerflächenglied 603 und der Platte 722 bei Rotation des exzentrischen Steuerflächenglieds wechselweise ent lang der X-Richtung verlagert. Fig. 2C zeigt eine Orts kurve des Berührungspunkts A gegenüber dem Rotationswin kel des exzentrischen Steuerflächenglieds 603. Die Orts kurve des Berührungspunkts A ist durch eine Sinuskurve definiert. Die anderen beiden Tischbewegungsmechanismen 401 und 402 besitzen dieselbe Konfiguration wie der Tischbewegungsmechanismus 403.

Unter Bezugnahme auf Fig. 3 ist ein schematisches Block diagramm eines Steuersystems der Tischpositioniervor richtung 1 dargestellt. Wie in dieser Zeichnung zu sehen ist, besitzt das Steuersystem eine Steuerung 100 als Haupteinheit, die in erster Linie durch einen Mikrocom puter gebildet ist. Die jeweiligen Tischbewegungsmecha nismen 401, 402 und 403 werden von der Steuerung 100 über eine 3-Achsen-Steuerplatine 101 und jeweilige Trei ber 102A, 102B und 102C gesteuert. Die Steuerung 100 führt Steuerprogramme aus, die in ihrem ROM-Speicher ge speichert sind, um den beweglichen Tisch 4 in einer ge wünschten Position zu positionieren, die durch eine ex terne Befehlseingabe nach Maßgabe von Positionsdaten von den jeweiligen Positionssensoren 6A, 6B und 6C benannt wird.

Der von dem Steuersystem 100 durchgeführte Steuervorgang ist folgendermaßen. Bei Empfang eines externen Befehls, der eine gewünschte Position des beweglichen Tisches 4 anzeigt, wird der bewegliche Tisch 4 aus seinem Klemmzu stand gelöst und gelangt in einen auf der Referenzebene 3 beweglichen Zustand.

Danach werden die drei Tischbewegungsmechanismen 401 bis 403 angesteuert, um den beweglichen Tisch in Richtung auf die gewünschte Position zu bewegen. Wenn die drei Positionssensoren 6A bis 6C feststellen, dass der beweg liche Tisch 4 die gewünschte Position erreicht, werden die jeweiligen Tischbewegungsmechanismen 401 bis 403 ge stoppt, und der bewegliche Tisch 4 wird in der gewünsch ten Position festgeklemmt.

Die auf diese Weise ausgebildete Tischpositioniervor richtung des vorliegenden Ausführungsbeispiels verwendet drei Tischbewegungsmechanismen vom exzentrischen Steuer flächentyp, um den beweglichen Tisch auf der Referenz ebene zu verfahren und rotationsmäßig zu bewegen. Ferner werden die Bewegungsbeträge des beweglichen Tisches 4, die durch die jeweiligen Tischbewegungsmechanismen ver anlasst werden, mittels der Positionssensoren 6A bis 6C rückgekoppelt.

Im Vergleich zu den herkömmlichen Stufen-Mechanismen, bei denen eine X-Stufe und eine Y-Stufe aufeinander ge stapelt sind oder bei denen Stufen mittels eines Linear antriebsmechanismus mit einer Drückstange und derglei chen linear bewegt werden, läßt sich die Tischpositio niervorrichtung 1 somit klein und kostengünstig ausbil den, wobei sie dennoch die Fähigkeit besitzt, den beweg lichen Tisch in exakter Weise zu positionieren.

Ferner ist bei dem Tischbewegungsmechanismus des vorlie genden Beispiels kein Vorspannmechanismus erforderlich, um den beweglichen Tisch konstant gegen die exzentri schen Steuerflächenglieder zu drücken. Der Mechanismus kann somit in seiner Konstruktion vereinfacht werden, und in seinen Herstellungskosten reduziert werden, wobei er dennoch in einfacher Weise herstellbar ist.

Da ferner die exzentrischen Steuerflächenglieder eine kreisförmige Gestalt aufweisen, wird der Spalt zwischen den beiden parallelen Platten auf einen Durchmesser des Steuerflächenglieds gesetzt, wodurch die Einstellung des Spalts in einfacher Weise möglich ist.

Wie vorstehend erwähnt wurde, werden bei der Tischposi tioniervorrichtung der vorliegenden Erfindung die Tisch bewegungsmechanismen vom exzentrischen Steuerflächentyp verwendet, und die durch die Tischbewegungsmechanismen veranlassten Bewegungsbeträge des beweglichen Tisches werden rückgekoppelt, so dass sich eine kleine und ko stengünstige Tischpositioniervorrichtung verwirklichen läßt.

Ferner ist es gemäß der vorliegenden Erfindung nicht notwendig, einen Vorspannmechanismus vorzusehen, um den beweglichen Tisch und die Steuerflächenglieder in einem Berührungszustand miteinander zu halten, wodurch sich die Konstruktion der Vorrichtung vereinfachen läßt und sich die Herstellungskosten reduzieren lassen.

Claims

1. Tischpositioniervorrichtung mit einem feststehenden Tisch, der auf seiner Oberfläche mit einer Referenz ebene ausgebildet ist, einem beweglichen Tisch, der auf dem feststehenden Tisch derart gelagert ist, dass er in zwei Dimensionen auf der Referenzebene beweglich ist, und mit einer Mehrzahl von Tischbewe gungsmechanismen zum Bewegen des beweglichen Tisches auf der Referenzebene, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Tischbewegungsme chanismus einen Servomotor, ein exzentrisches Steu erflächenglied, das durch den Servomotor rotations mäßig bewegt wird, sowie eine erste und eine zweite parallele Platte aufweist, die an dem beweglichen Tisch derart angebracht sind, dass das exzentrische Steuerflächenglied sandwichartig zwischen ihnen an geordnet ist, wodurch eine exzentrische Rotationsbe wegung des exzentrischen Steuerflächenglieds in eine lineare Bewegung des beweglichen Tisches umgewandelt wird.

2. Tischpositioniervorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Tischbewegungsmechanismen einen ersten, zweiten und dritten Tischbewegungsmechanismus mit derselben Konstruktion aufweisen.

3. Tischpositioniervorrichtung nach Anspruch 2, ferner mit einem ersten, einem zweiten und einem dritten Sensor zum Erfassen der jeweiligen Bewe gungsbeträge des beweglichen Tisches, die durch den jeweiligen ersten, zweiten und dritten Tischbewe gungsmechanismus veranlasst werden.

4. Tischpositioniervorrichtung nach Anspruch 3, wobei der erste und der zweite Tischbewegungsmecha nismus dazu ausgebildet sind, den beweglichen Tisch in unterschiedlichen Positionen in einer ersten Richtung zu bewegen, und wobei der dritte Tischbewe gungsmechanismus dazu ausgebildet ist, den bewegli chen Tisch in einer zu der ersten Richtung senkrech ten, zweiten Richtung zu bewegen, und wobei durch Steuerung des Betrages der exzentrischen Rotations bewegung des exzentrischen Steuerflächenglieds in jedem der Tischbewegungsmechanismen eine lineare Be wegung und eine Rotationsbewegung des beweglichen Tisches ausgeführt werden.

5. Tischpositioniervorrichtung mit einem feststehenden Tisch, der auf seiner Oberfläche mit einer Referenz ebene ausgebildet ist, einem beweglichen Tisch, der auf dem feststehenden Tisch derart gelagert ist, dass er sich in zwei Dimensionen auf der Referenze bene bewegen kann, und mit einer Mehrzahl von Tisch bewegungsmechanismen zum Bewegen des beweglichen Ti sches auf der Referenzebene, dadurch gekennzeichnet, dass die Tischpositioniervorrichtung eine Tischposi tions-Detektionseinrichtung zum Erfassen einer Posi tion des beweglichen Tisches, einen Klemmmechanismus zum Feststellen des beweglichen Tisches sowie eine Steuereinrichtung zum derartigen Steuern der Tisch bewegungsmechanismen und des Klemmmechanismus auf weist, dass der bewegliche Tisch auf der Basis einer von der Tischpositions-Detektionseinrichtung detek tierten Position des beweglichen Tisches in einer gewünschten Position angeordnet wird, wobei die Tischbewegungsmechanismen wenigstens einen ersten, zweiten und dritten Tischbewegungsmechanismus bein halten, deren jeder einen Linearbewegungsmechanismus zum linearen Bewegen des beweglichen Tisches auf weist, und wobei der Linearbewegungsmechanismus ei nen Servomotor, der von der Steuereinrichtung ge steuert und angetrieben wird, ein exzentrisches Steuerflächenglied, das von dem Servomotor rotati onsmäßig bewegt wird, sowie eine erste und eine zweite parallele Platte aufweist, die an dem beweg lichen Tisch derart angebracht sind, dass das exzen trische Steuerflächenglied sandwichartig zwischen ihnen angeordnet ist, wodurch eine exzentrische Ro tationsbewegung des exzentrischen Steuerflächen glieds in eine Linearbewegung des beweglichen Ti sches umgewandelt wird.

6. Tischpositioniervorrichtung nach Anspruch 5, wobei die Tischpositions-Detektionseinrichtung einen ersten, einen zweiten und einen dritten Positions sensor zum Detektieren der durch die jeweiligen ex zentrischen Steuerflächenglieder verursachten Bewe gungsbeträge des beweglichen Tisches aufweist.

7. Tischpositioniervorrichtung nach Anspruch 6, wobei der erste und der zweite Tischbewegungsmecha nismus dazu ausgebildet sind, den beweglichen Tisch in unterschiedlichen Positionen in einer ersten Richtung zu bewegen, und wobei der dritte Tischbewe gungsmechanismus dazu ausgebildet ist, den bewegli chen Tisch in einer zu der ersten Richtung senkrech ten, zweiten Richtung zu bewegen, und wobei durch Steuerung des Betrages der exzentrischen Rotations bewegung des exzentrischen Steuerflächenglieds in jedem der Tischbewegungsmechanismen eine lineare Be wegung und eine Rotationsbewegung des beweglichen Tisches ausgeführt werden.