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Die Erfindung betrifft eine Führung mit zumindest einem Ultraschall-Levitationsschwinger und ein Verfahren zum Betreiben einer Führung.
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Führungen stellen eine vielfältig genutzte Maschinenkomponente dar, die immer dann zum Einsatz kommt, wenn Maschinenkomponenten bewegt oder positioniert werden müssen. Insbesondere in Werkzeugmaschinen kommen hochgenaue Führungen zum Einsatz, die höchste Anforderungen an die absolute (statische) Genauigkeit sowie an die dynamikbestimmten Eigenschaften wie Steifigkeit und Dämpfung erfüllen müssen. Führungen für Werkzeugmaschinen sind idealerweise gleichzeitig hochgenau, steif und stark gedämpft und dennoch reibungsarm. Für Präzisionsanwendungen, wie zum Beispiel zur Fertigung von optischen Komponenten, werden Luftführungen verwendet, bei denen der Schlitten der Führung auf einem Luftpolster gleitet. Ähnlich sind Führungen aufgebaut, die Ultraschall-Levitationsschwinger umfassen. Bei Führungen mit Ultraschall-Levitationsschwingern wird ein Ultraschallfeld erzeugt, das die gleiche Wirkung hat wie das Luftkissen bei Luftführungen.
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Um die Forderung nach hoher Steifigkeit realisieren zu können, werden Führungen mit Umgriff verwendet, das heißt, dass der Schlitten zwei antagonistisch angeordnete Führungen gleichen Typs besitzt. Die Wirkungen der beiden Führungen wirken gegeneinander und verspannen den Schlitten zwischen sich. Dieses Prinzip wird insbesondere bei Luftführungen angewendet.
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Nachteilig an bekannten Führungen ist, dass der Umgriff eine deutliche Beschränkung bei der Konstruktion von Führungen darstellt. Ohne Umgriff sind bekannte Führungen auf Basis von Ultraschall-Levitationsschwingern, wie sie beispielsweise aus der
JP 61201919 A bekannt sind, jedoch nicht hinreichend steif.
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Aus der
US 5,098,203 A ist eine Führung bekannt, bei der ein Magnetaktor gegen die Kraft einer aerodynamischen Druckerzeugungseinheit antagonistisch angeordnet ist. Nachteilig an einem derartigen System sind die relativ große Bauform und der hohe Energieverbrauch. Ein derartiges System ist zudem für Mikroanordnungen nur schlecht geeignet.
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Aus der
DE 102 29 855 A1 ist ein luftgelagertes Antriebssystem bekannt, das eine Drehbewegung und eine Linearbewegung ausführen kann und eine Möglichkeit zum Anlegen von Unterdruck sowie von Überdruck aufweist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine kompakte Führung anzugeben, bei der ein Umgriff entbehrlich ist und die dennoch die Vorteile einer hydrostatischen oder aerostatischen Lagerung hat.
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Die Erfindung löst das Problem durch eine Führung nach Anspruch 1 und ein Verfahren nach Anspruch 8.
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Gemäß einem zweiten Aspekt löst die Erfindung das Problem durch ein Verfahren zum Betreiben einer Führung, die zumindest einen Ultraschall-Levitationsschwinger und zumindest einen Magnetaktor, der antagonistisch zum Ultraschall-Levitationsschwinger angeordnet ist, aufweist, mit den Schritten: (i) Erfassen eines Ist-Abstands zwischen einem Schlitten der Führung und einem Bett der Führung, (ii) Vergleichen des Ist-Abstands mit einem vorgegebenen Soll-Abstand und (iii) wenn der Ist-Abstand größer ist als der Soll-Abstand, Verstärken der Wirkung des Magnetaktors und/oder Vermindern der Wirkung des Ultraschall-Levitationsschwingers, und wenn der Ist-Abstand kleiner ist als der Soll-Abstand, Vermindern der Wirkung des Magnetaktors und/oder Verstärken der Wirkung des Ultraschall-Levitationsschwingers.
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Vorteilhaft an der Erfindung ist, dass eine derartige Führung ohne Umgriff auskommt und sie dennoch eine hohe Steifigkeit und/oder Dämpfung aufweisen kann.
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Es ist ein weiterer Vorteil, dass der Ultraschall-Levitationsschwinger und der Magnetaktor in einem Bauteil bzw. einer Baugruppe zusammengefasst werden können, so dass die Führung einfach aufgebaut ist.
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Die erfindungsgemäße Führung kommt vorteilhafterweise zudem ohne zusätzliche Fluide aus, der Betrieb kann ausschließlich mit elektrischer Energie sichergestellt werden, so dass die Notwendigkeit für eine mögliche Versorgung mit Druckluft oder einer Druckflüssigkeit entfällt. Zwar ist es möglich und kann in manchen Fällen sinnvoll sein, zusätzlich zum Ultraschall-Levitationsschwinger und zum Magnetaktor eine Druckluftversorgung oder eine Druckfluidversorgung vorzusehen, wobei die Wirkrichtung der entsprechenden hydrostatischen Komponente insbesondere der des Ultraschall-Levitationsschwingers entspricht, das ist aber nicht notwendig. Eine zusätzliche hydrostatische oder aerostatische Komponente, die auch als zusätzliches hydrostatisches oder aerostatisches Führungselement bezeichnet werden kann, könnte beispielsweise dann vorteilhaft sein, wenn bekannt ist, dass an bestimmten Stellen der Führung eine besonders hohe Kraft auf die Führung zu erwarten ist, so dass eine Unterstützung der Wirkung des Ultraschall-Levitationsschwingers vorteilhaft ist.
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Ein weiterer Vorteil ist die geringe Schallemission im hörbaren Bereich. In der Regel liegt die Ultraschallfrequenz des Ultraschall-Levitationsschwingers oberhalb von 20 kHz und damit oberhalb der menschlichen Hörgrenze. Anders als bei hydrostatischen Führungen entsteht kein Geräusch durch austretende Luft. Aufwendige Schallschutzmaßnahmen sind daher entbehrlich. Die hohen Frequenzen werden zudem bereits durch die umgebende Luft hinreichend stark gedämpft und lassen sich, soweit zusätzlich erforderlich, leicht durch Dämpfvorrichtungen schwächen.
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Vorteilhaft ist zudem der geringe Energieverbrauch im Vergleich zu hydrostatischen Führungen. So ist es gemäß einer bevorzugten Ausführungsform möglich, dass eine Regelung der Führung so ausgebildet ist, dass lediglich diejenigen Ultraschall-Levitationsschwinger vollständig aktiviert werden, in deren Nähe sich der Schlitten befindet und/oder die benötigt werden, um den Schlitten an einer vorgegebenen Position zu halten.
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Im Rahmen der vorliegenden Beschreibung wird unter einem Ultraschall-Levitationsschwinger insbesondere ein Bauteil verstanden, das mit einer Ultraschall-Frequenz schwingt und so ausgebildet oder angeordnet ist, dass ein Fluidkissen entsteht, auf dem ein beweglicher Teil der Führung relativ zu einem unbeweglichen Teil der Führung gleiten kann.
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Insbesondere umfasst die Führung ein Bett und einen am Bett geführten Schlitten. Unter dem Schlitten wird dabei der bewegliche, also beschleunigbare Teil verstanden, wohingegen das Bett als der im Betrieb nicht beschleunigte Teil verstanden wird. Bei der Führung kann es sich um eine Linearführung oder eine rotatorische Führung handeln. Denkbar ist aber auch, dass es sich um eine Führung des Schlittens entlang einer zumindest abschnittsweise gekrümmten Bahn handelt.
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Unter dem Magnetaktor wird insbesondere ein Aktor verstanden, der durch Magnetkräfte den Schlitten anzieht. Beispielsweise handelt es sich bei dem Magnetaktor um einen Reluktanzaktor, was bedeutet, dass der Schlitten ferromagnetisch ist, so dass mit dem Magnetaktor lediglich anziehende Kräfte ausgeübt werden können. Grundsätzlich wäre es zwar denkbar, dass der Magnetaktor mit einem Permanentmagneten auf dem Schlitten zusammenwirkt, was den Vorteil hätte, dass größere Kräfte übertragbar sind. Allerdings erhöht sich dadurch der Regelungsaufwand, was nachteilig ist.
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Unter dem Merkmal, dass der Magnetaktor antagonistisch zum Ultraschall-Levitationsschwinger angeordnet ist, wird insbesondere verstanden, dass eine verstärkte Wirkung des Magnetaktors durch eine verstärkte Wirkung des Ultraschall-Levitationsschwingers ausgeglichen werden kann. Es ist möglich, nicht aber notwendig, dass ein exakter Ausgleich erzielbar ist. So umfasst gemäß einer bevorzugten Ausführungsform die Führung eine Vielzahl an Ultraschall-Levitationsschwingern und eine Vielzahl an Magnetaktoren, wobei vorgesehen sein kann, dass die Wirkungen von Magnetaktor und Ultraschall-Levitationsschwinger kollektiv ausgleichbar sind, nicht aber individuell.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Magnetaktor eine Magnet-Wirkrichtung hat und der Ultraschall-Levitationsschwinger eine Magnet-Wirkrichtung hat, wobei die Magnet-Wirkrichtung einen Winkel von zumindest 160° mit der Magnet-Wirkrichtung bildet. Die Magnet-Wirkrichtung ist insbesondere diejenige Richtung in die der Schlitten gezogen wird, wenn die Wirkung des bereits aktivierten Magnetaktors verstärkt wird, wobei die Wirkung von etwaig vorhandenen weiteren Magnetaktoren konstant bleibt. Wenn der Magnetaktor in hinreichend guter Näherung als magnetischer Dipol beschrieben werden kann, so ist die Magnet-Wirkrichtung insbesondere die Richtung des Magnetfeldes im homogenen Bereich. Wenn der Ultraschall-Levitationsschwinger, wie in einer bevorzugten Ausführungsform vorgesehen, eine plane Stirnfläche hat, so ist die Ultraschall-Wirkrichtung insbesondere die Normale auf der Stirnfläche. Im allgemeinen Fall ist die Ultraschall-Wirkrichtung insbesondere die Richtung, in die der Schlitten sich bewegt, wenn die Wirkung des Ultraschall-Levitationsschwingers verstärkt wird.
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Gemäß einer Ausführungsform besitzt der Magnetaktor eine Spule und der Ultraschall-Levitationsschwinger weist einen Ultraschallkonverter zum Umwandeln elektrischer Energie in Schwingungsenergie auf, wobei die Spule zumindest teilweise um den Ultraschall-Konverter verläuft. Es ist dabei möglich, nicht aber notwendig, dass die Spule genau in dem Bereich verläuft, in dem die elektrische Energie in Ultraschall-Energie umgewandelt wird. Beispielsweise kann der Ultraschall-Levitationsschwinger ein Übertragungselement aufweisen, das die Ultraschall-Energie, die an einem ersten Ort erzeugt wird, an einen zweiten Ort leitet. Es kann dann vorgesehen sein, dass die Spule zunächst teilweise um das Übertragungselement herum verläuft.
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Alternativ besitzt der Magnetaktor ein Joch aus ferromagnetischem Material, das mit dem Ultraschall-Konverter schallleitend verbunden ist. In diesem Fall ist es besonders günstig, wenn das Joch eine Stirnfläche hat, aus der im Betrieb magnetische Feldlinien austreten und von der Ultraschall abgestrahlt wird. Es handelt sich dabei um diejenigen Feldlinien, die eine anziehende Wirkung auf den Schlitten vermitteln, wobei von der Stirnfläche der Ultraschall abgestrahlt wird, der den Schlitten in der Schwebe hält. Insbesondere ist bei dieser Anordnung die Magnet-Wirkrichtung die gleiche wie die Ultraschall-Wirkrichtung, der eingeschlossene Winkel beträgt zumindest in guter Näherung 0°, worunter zu verstehen ist, dass der Winkel insbesondere kleiner als 10° ist.
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Bevorzugt besitzt die Führung einen Abstandsmesser zum Messen eines Abstandes zwischen dem Schlitten und dem Bett und eine Regelung, die eingerichtet ist zum Regeln des Abstands durch Ansteuern des Magnetaktors und/oder des Ultraschall-Levitationsschwingers.
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Insbesondere ist die Regelung eingerichtet zum Vergleichen eines Ist-Abstands zwischen dem Schlitten und dem Bett an zumindest einer Stelle zum Vergleichen des Ist-Zustands mit einem vorgegebenen Soll-Abstand und zum Verstärken der Wirkung des Magnetaktors und/oder Vermindern der Wirkung des Ultraschall-Levitationsschwingers, wenn der Ist-Abstand größer ist als der Soll-Abstand und/oder zum Vermindern der Wirkung des Magnetaktors und/oder zum Verstärken der Wirkung des Ultraschall-Levitationsschwingers, wenn der Ist-Abstand kleiner ist als der Soll-Abstand.
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Selbstverständlich kann eine Mehrzahl an Magnetaktoren und Ultraschall-Levitationsschwingern vorhanden sein, wobei vorgesehen sein kann, dass jedem Ultraschall-Levitationsschwinger und/oder jedem Magnetaktor ein Abstandsmesser zugeordnet ist. Es ist möglich, dass der Abstandsmesser durch den Magnetaktor selbst gebildet ist. Der Magnetaktor ist dann beispielsweise ausgebildet zum Erfassen der Induktivität, die vom Abstand des Betts beziehungsweise des Schlittens auf eineindeutige Art abhängt. Besonders günstig umfasst der Abstandssensor einen Wirbelstromsensor, einen kapazitiven Sensor und/oder einen Lasersensor.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Führung einen Permanentmagneten, dessen Permanentmagnet-Wirkung der Magnet-Wirkung entspricht. Darunter wird insbesondere verstanden, dass der Permanentmagnet antagonistisch oder protagonistisch zum Magnetaktor angeordnet ist. Besonders günstig ist es, wenn der Permamentmagnet protagonistisch zum Magnetaktor angeordnet ist, so lässt sich eine Erhöhung der Vorspannung der Führung erreichen.
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Vorzugsweise ist die Führung nicht umgreifend ausgebildet. Das heißt, dass zunächst überwiegend bezüglich einer Gesamt-Länge des aktiven Teils der Führung keine antagonistischen Ultraschall-Levitationsschwinger vorhanden sind. Allerdings ist auch denkbar, dass zumindest abschnittsweise Ultraschall-Levitationsschwinger vorhanden sind, die antagonistisch zu anderen Ultraschall-Levitationsschwingern angeordnet sind.
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Bevorzugt ist eine Mehrzahl der Ultraschall-Levitationsschwinger am Schlitten angeordnet. Alternativ oder zusätzlich ist eine Mehrzahl der Magnetaktoren am Schlitten angeordnet. Vorteilhaft der geringere Bedarf an Magnetaktoren.
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Vorzugsweise ist die Führung eine translatorische Führung. Hier sind die Ultraschall-Levitationsschwinger besonders effektiv einsetzbar. Die Führung kann aber auch gut eine rotatorische Führung sein. Beispielsweise kann eine rotatorische Führung Teil einer Turbomaschine, einer Festplatte oder eines Lüfters sein, die erfindungsgemäße Vorrichtungen darstellen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Führung einen ebenen Schlitten, der eine Vielzahl an in einer Führungs-Ebene angeordneten Ultraschall-Levitationsschwingern und Magnetaktoren aufweist, wobei das Bett eben und der Schlitten auf dem Bett in zwei Dimensionen positionierbar ist. Vorteilhaft daran ist, dass eine Positionierung in zwei Dimensionen ermöglicht wird, ohne dass aufwändige Vorrichtungen notwendig sind, die Kippmomente auf dem Schlitten abfangen. Es ist allerdings nicht notwendig, dass das Bett eben ist, auch ein gleichmäßig gekrümmtes Bett denkbar.
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Erfindungsgemäß ist zudem eine positionierende Maschine, insbesondere eine Werkzeugmaschine, ein Positionierautomat oder ein Roboter, mit einer erfindungsgemäßen Führung. Beispielsweise ist bekannt, dass hohe Beschleunigungen zu hohem Verschleiß führen, wenn die Reibung zwischen Schlitten und Bett nicht klein gehalten wird. Hier ist die Erfindung mit großem Vorteil einsetzbar. Eine weitere wichtige Anwendung sind Werkzeugmaschinen, insbesondere solche Werkzeugmaschinen, die hohe Beschleunigungen, Geschwindigkeiten oder eine besonders hohe Präzision erfordern. Hohe Präzisionen sind bislang mit Wälzkörperführungen, die nur mit hohem Aufwand gefertigt werden können, nur mit hohem Aufwand möglich.
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Unter einer positionierenden Maschine wird insbesondere eine Messmaschine verstanden, beispielsweise eine Koordinatenmessmaschine. Eine positionierende Maschine positioniert eine Komponente der Maschine, nicht aber ein externes Objekt. Eine positionierende Maschine ist daher insbesondere keine Handhabungsvorrichtung, da dort ein externes Objekt zu positionieren ist.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand der beigefügten Figuren näher erläutert. Dabei zeigt
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1 eine schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Führung,
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2 mit den Teilfiguren 2a bis 2d mögliche Formen von Schlitten und Bett einer erfindungsgemäßen Führung,
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3 mit den Teilfiguren 3a und 3b weitere mögliche Ausführungsformen von Schlitten und Bett,
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4 eine zweidimensionale Führung gemäß der vorliegenden Erfindung und
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5 eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen zweidimensionalen Führung.
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1 zeigt eine Führung 10 mit einem Ultraschall-Levitationsschwinger 12.1 und einem Magnetaktor 14.1, der antagonistisch zum Ultraschall-Levitationsschwinger 12.1 angeordnet ist. Der Ultraschall-Levitationsschwinger 12.1 und der Magnetaktor 14.1 sind Teil einer Aktoreinheit 16.1, die zusätzlich noch einen Abstandsmesser 18.1 umfasst.
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Die Führung 10 besitzt ein Bett 20, in dem der Ultraschall-Levitationsschwinger 12.1 und der Magnetaktor 14.1 aufgenommen sind, sowie einen Schlitten 22, der relativ zum Bett 20 nur in einer eingeschränkten Zahl von Freiheitsgraden bewegbar ist. Im vorliegenden Fall ist der Schlitten 22 nur in einem translatorischen Freiheitsgrad 22 relativ zum Bett 20 bewegbar befestigt.
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Der Ultraschall-Levitationsschwinger 12.1 besitzt einen Ultraschallkonverter 24.1, der beispielsweise ein piezoelektrisches Element umfasst. Der Ultraschallkonverter 24.1 ist durch elektrische Leitungen 26a.1, 26b.1 mit einer Regelung 27 verbunden, die den Ultraschallkonverter 24.1 mit einem hochfrequenten Wechselstrom beaufschlagt. Der Ultraschallkonverter 24.1 wandelt den hochfrequenten Wechselstrom in Ultraschall 28.1, der von einem Übertragungselement 30.1 auf den Schlitten 22 zu geleitet wird. Dort bildet sich eine Tragschicht, die den Schlitten 22 trägt.
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Der Magnetaktor 14.1 umfasst eine Spule 32.1, die um das Übertragungselement 30.1 gewickelt ist. Das Übertragungselement 30.1 wirkt damit gleichzeitig als Joch und ist zumindest in dem Bereich, in dem es von der Spule 32.1 umgeben ist, aus ferroelektrischem Material aufgebaut.
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Im Betrieb der Führung 10 verlassen Magnetfeldlinien 34.1 eines Magnetfeldes B eine Stirnfläche 36.1 des Jochs 30.1. Zudem werden von der Stirnfläche 36.1 die Ultraschallwellen 28.1 abgestrahlt. Die Ultraschallwellen 28.1 bewirken, dass der Schlitten 22 in einer Ultraschall-Wirkrichtung U vom Bett 20 weggedrückt wird. Das Magnetfeld B bewirkt, dass der Schlitten 22 in einer Magnet-Wirkrichtung M auf das Bett 20 zu gezogen wird. Die Spule ist mit elektrischen Kabeln 38a.1, 38b.1 mit der Regelung 27 verbunden.
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1 zeigt, dass die Führung 10 eine Mehrzahl an Aktoreinheiten 16.2, 16.3, ... aufweist, die wie die erste Aktoreinheit 16.1 aufgebaut sind. Jedes Objekt wird durch das Zählsuffix der entsprechenden Aktoreinheit zugeordnet. So gehört das Joch 30.4 zur Aktoreinheit 16.4. Alle Aktoreinheiten sind individuell von der Regelung 27 ansteuerbar. So ist die Regelung 27 eingerichtet, um in der in 1 gezeigten Situation lediglich die Aktoreinheiten 16.1, 16.2 und 16.3 anzusteuern, da die Aktoreinheit 16.4 nicht benötigt wird, um den Schlitten 22 zu halten.
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2 zeigt eine Mehrzahl an Betten 20 und Schlitten 22 gemäß möglicher Ausführungsformen der Erfindung. Gezeigt sind jeweils Betten 20 und zugehörige Schlitten 22. Die Rolle von Bett 20 und Schlitten 22 kann in den gezeigten Ausführungsformen aber auch vertauscht sein. Es ist zu erkennen, dass die Betten und zugehörigen Schlitten jeweils komplementäre Konturen aufweisen. Die Aktoreinheiten sind über das jeweilige Bett verteilt, in den Figuren jedoch nicht eingezeichnet.
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2a zeigt eine Führung, bei der das Bett 20 und der Schlitten 22 kegelstumpfförmig sind, so dass lediglich ein rotatorischer Freiheitsgrad verbleibt und die übrigen Freiheitsgrade gefesselt sind.
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2b zeigt eine Führung in Form eines Kugelgelenks, bei der sämtliche translatorischen Freiheitsgrade gefesselt sind.
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2c zeigt eine erfindungsgemäße Führung, bei der das Bett 20 y-förmig ist.
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2d zeigt eine Führung, bei der das Bett 20 teilzylindermantelförmig ist.
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3a zeigt eine erfindungsgemäße Ausführung des Ultraschallschwingers mit unterschiedlicher Gestaltung des Ultraschall-Übertragungselementes. Die Ausführung kann beispielsweise so gestaltet sein, dass die aktive Fläche 3 von einem Schwinger 12 zentral angeregt wird, oder der Schwinger 16, 20 ist räumlich verteilt angeordnet. Die Fläche selbst kann auch abweichend gestaltet sein, beispielsweise mit einem Loch 22 um eine besonders vorteilhafte Art der Schwingung zu ermöglichen.
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3b zeigt den Schlitten 22 in der Montagestellung zum Bett 20.
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4 zeigt eine zweidimensionale Führung 10 mit einer Mehrzahl an Aktoreinheiten 16.1.1, 16.2.1, 16.1.2, ..., die regelmäßig, im vorliegenden Fall schachbrettartig angeordnet sind. Der Schlitten 22 ist in einer x-Richtung, einer y-Richtung und um einen Drehfreiheitsgrad um eine Normale auf dem Bett 20 drehbar.
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5 zeigt eine erfindungsgemäße Führung mit einem ebenen Bett 20, das aus schachbrettartig angeordneten Zonen aufgebaut ist, wobei eine Art der Zonen aus einem magnetischen Material, die andere Art der Zonen aus einem unmagnetischen Material aufgebaut ist. Auf dem ebenen Bett 20 kann ein Schlitten 22 gleiten, der aus einer Vielzahl an ebenfalls schachbrettartig angeordneten Aktoreinheiten aufgebaut ist. Die Seitenlänge des Schachbrettmusters, mit dem die Aktoreinheiten 16 verteilt sind, unterscheidet sich dabei von der Seitenlänge des Schachbrettmusters, indem die magnetischen und nichtmagnetischen Bereiche im Bett 20 angeordnet sind. Durch selektives Aktivieren der Magnetaktoren der jeweiligen Aktoreinheit 16 kann eine Kraft auf den Schlitten 22 ausgeübt werden, der diesen relativ zu dem Bett 20 positioniert.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Führung
- 12
- Ultraschall-Levitationsschwinger
- 14
- Magnetaktor
- 16
- Aktoreinheit
- 18
- Abstandsmesser
- 20
- Bett
- 22
- Schlitten
- 24
- Ultraschallkonverter
- 26
- Kabel
- 27
- Regelung
- 28
- Ultraschall
- 30
- Joch/Übertragungselement
- 32
- Spule
- 34
- Magnetfeldlinie
- 36
- Stirnfläche
- 38
- Kabel
- U
- Ultraschall-Wirkrichtung
- M
- Magnet-Wirkrichtung
- B
- Magnetfeld
