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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung für einen Mehrkoordinatenantrieb nach Anspruch 1 und ein Verfahren zum Positionieren eines Läufers in einer Ebene nach dem Oberbegriff des Anspruchs 7.
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Für verschiedene feinmechanische Einstellungen und hochpräzise auszuführende Fertigungsschritte, beispielsweise im Zusammenhang mit einer Maskeninspektion in der Halbleiterindustrie, beim Laserschneiden mit geringen Fertigungstoleranzen oder in der Koordinatenmesstechnik werden hochgenaue Positioniersysteme benötigt. Diese Systeme ermöglichen eine Verschiebung eines Objektes innerhalb einer Ebene oder des Raumes.
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Um den zunehmenden Anforderungen in Hinblick auf die erreichbare Beschleunigung und die dabei einzuhaltende Genauigkeit derartiger Antriebe gerecht zu werden, werden für derartige Systeme anstelle von Anordnungen mit mehreren übereinandergesetzten Linearachsen so genannte Planarsysteme bevorzugt. Bei diesen befinden sich sämtliche Antriebe für alle anzusteuernden Koordinatenrichtungen innerhalb einer Ebene.
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Aus dem Stand der Technik sind für Zwecke des Maschinenbaus verschiedene Mehrkoordinatenantriebe mit einer Systemgenauigkeit von 5–15 μm bekannt, wobei eine Bahn- und Positioniergenauigkeit von unter 0,1 μm bei einer Beschleunigung von bis zu 20 m/s2 erreicht werden. Derartige Anforderungen wurden bisher von Präzisionsplanartischen erfüllt, die beispielsweise von der Firma Institut IMMS GmbH Ilmenau entwickelt und von der Fa. TETRA GmbH Ilmenau gebaut und vertrieben werden.
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Bei diesen Planartischen ist eine mechanische Kombination aus linearen Antrieben, Luftlagern und Messsystemen auf einem gemeinsamen Granitbett für den Bau von Maschinen mit einer entsprechenden Genauigkeitsklasse vorgesehen. Mit dieser Vorrichtung können allerdings nur Punkte innerhalb einer maximalen Fläche von ca. 350 mm × 350 mm angefahren werden. Hinzu kommt, dass es derzeit technologisch nicht möglich ist, die in den bisher gebauten planaren Antrieben verwendeten planaren optisch-inkrementellen Maßverkörperungen mit einer Ausdehnung von bis zu 350 mm × 350 mm auch für größere Verfahrbereiche herzustellen.
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Aus dem Vorgenannten ergibt sich nun die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe, eine Vorrichtung für einen Mehrkoordinatenantrieb in Form eines planaren Antriebssystems für Bewegungen entlang einer x- und einer y-Koordinate und geringen Verdrehungen um eine dazu senkrechte Achse zu schaffen, mit der Bahn- und Positioniergenauigkeiten von weniger als 0,1 μm bei einer Beschleunigung von bis zu 20 m/s2 erreicht werden können und mit denen es möglich ist, mit dieser Genauigkeit einen zweidimensionalen Verfahrbereich von mindestens 1000 mm × 1000 mm abzudecken.
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Die Aufgabe wird mit einer Vorrichtung für einen Mehrkoordinatenantrieb mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Hinsichtlich des Verfahrensaspektes erfolgt eine Lösung der Aufgabe mit einem Verfahren zum Positionieren eines Läufers in einer Ebene mit den Merkmalen des Anspruchs 7. Die Unteransprüche enthalten zweckmäßige und/oder vorteilhafte Ausführungsformen.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung für einen Mehrkoordinatenantrieb besteht aus einem Stator in Form eines massiven Grundkörpers mit einer ebenen Laufoberfläche, einem auf dem Stator beweglichen und luftgeführten Läufer, eine auf dem Stator angeordnete und luftgelagerte, den Läufer führende Rahmenanordnung aus einem in x-Richtung verschiebbaren ersten Rahmen und einen in y-Richtung verschiebbaren zweiten Rahmen, wobei der Läufer mit dem ersten und dem zweiten Rahmen jeweils mindestens einen jeweils orthogonal zur Verschiebungsrichtung des ersten und zweiten Rahmens wirkenden Läufer-Linearantrieb, bestehend aus einer an dem Läufer angeordneten Flachspule und einer in jedem der Rahmen angeordneten Magnetleiste, ausbildet.
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Der Läufer wird somit über das Zusammenwirken eines synchron mitbewegten Verschiebemittels und eines aktiven Verschiebemittels bewegt.
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Das synchron mitbewegte Verschiebemittel ist durch die Rahmenanordnung gebildet. Diese Konstruktion besteht aus einem ersten Rahmen und einen zweiten Rahmen. Jeder der Rahmen ist auf dem Stator verschiebbar gelagert. Diese Lagerung ermöglicht zum einen ein Mitführen des jeweiligen Rahmens bei einer Bewegung des Läufers und nimmt zum anderen die bei den Läuferbewegungen auftretenden Gegenkräfte im jeweiligen Rahmen auf.
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Zwischen dem Läufer und jedem der Rahmen ist ein aktives Verschiebemittel in Form des Läufer-Linearantriebs ausgebildet. Über diesen Antrieb wird der Läufer innerhalb des ersten bzw. des zweiten Rahmens aktiv bewegt. Dieser Läufer-Linearantrieb innerhalb des jeweiligen Rahmens bildet somit das eigentliche Verschiebemittel.
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Durch diese Überlagerung einer synchronen Mitbewegung der Rahmen und der aktiven Läuferverschiebung innerhalb der Rahmen wird zum einen eine stabile Lagerung für den Läufer und eine sichere Kraftaufnahme für die Bewegungen des Läufers geschaffen. Weil der jeweilige Läufer-Linearantrieb orthogonal zu der Bewegungsrichtung des jeweiligen Rahmens wirkt, bilden somit die Verschiebemittel gleichzeitig gegeneinander wirkende Widerlager aus. Zum anderen ist über die Bewegung des Läufers innerhalb der sich im wesentlichen über die gesamte Statorfläche erstreckenden Rahmen ein großer, aber gleichzeitig in seinem Verlauf exakt eingestellter und kontrollierter Verfahrweg entlang der Rahmenachsen realisierbar, ohne das auf ein duales oder abgestuftes System aus Grob- und Feinantrieb zurückgegriffen werden muss.
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Der erste Rahmen und der zweite Rahmen sind mit dem Stator über mindestens je einen von den Läufer-Linearantrieben unabhängig betreibbaren Rahmen-Linearantrieb verbunden. Dieser bewirkt die erwähnte Verschiebung der Rahmen jeweils in die x- bzw. in die y-Richtung.
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Der erste Rahmen und der zweite Rahmen weisen je einen Messkopf auf, der mit einem an dem Läufer angeordneten Maßstab ein optisch-inkrementelles Messsystem bildet. Das optisch-inkrementelle Messsystem registriert Relativbewegungen zwischen dem Läufer und dem jeweiligen Rahmen und wirkt somit mit den Läufer-Linearantrieben zusammen.
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Der in x-Richtung verschiebbare Rahmen, der in y-Richtung verschiebbare Rahmen und die den Rahmen zugeordneten Rahmen-Linearantriebe bilden zweckmäßigerweise eine Anordnung, bei der die aufgrund einer Läuferbewegung in eine erste Koordinatenrichtung auftretende Gegenkraft von einem der Rahmen-Linearantriebe aufgenommen und an den Stator abgeleitet werden kann.
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Hierzu ist zweckmäßigerweise der Rahmen-Linearantrieb aus jeweils mindestens einem auf einer Führungsleiste des Stators angeordneten Magnetleiste und einem an dem Rahmen angeordneten, mindestens die Magnetleiste umgreifenden Spulenstück ausgebildet. Die so gebildete Anordnung ist entlang einer Koordinatenachse verschiebbar und nimmt orthogonal dazu die Gegenkräfte auf.
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Zweckmäßigerweise besteht der Stator aus einem massiven Block.
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Ein Verfahren zum Positionieren eines Läufers in einer Ebene zeichnet sich dadurch aus, dass eine auf einem Stator in zwei Achsen verschiebbar gelagerte Läuferführungseinrichtung aus einem ersten Rahmen und einem orthogonal dazu ausgerichteten zweiten Rahmen vorgesehen ist, wobei der erste Rahmen einen ersten Läuferantrieb und der zweite Rahmen einen orthogonal zum ersten Läuferantrieb wirksamen zweiten Läuferantrieb enthält. Weiterhin ist der erste Rahmen über einen ersten Rahmenantrieb und der zweite Rahmen über einen orthogonal zum ersten Rahmenantrieb wirksamen zweiten Rahmenantrieb mit dem Stator verbunden.
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Bei einer Aktivierung des ersten Läuferantriebs im ersten Rahmen erfolgt eine zeitgleiche Aktivierung des den zweiten Rahmen auf dem Stator in einer zur Bewegungsrichtung des ersten Läuferantriebs parallelen Richtung bewegenden Rahmenantriebs. Dabei wird der zweite Rahmen in einer relativ zum bewegten Läufer unveränderlichen Stellung mitbewegt und die bei der Bewegung des Läufers auftretende Gegenkraft durch den inaktiven ersten Rahmenantrieb aufgenommen und an den Stator abgeleitet.
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Wie erwähnt wird der erste und/oder der zweite Läuferantrieb als ein Linearantrieb aus einer Flachspule und einer Magnetführung betrieben. Der erste und/oder der zweite Rahmenantrieb wird als ein luftgelagerter Linearantrieb betrieben.
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Die Vorrichtung soll nun anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden, Zur Verdeutlichung dienen die beigefügten 1 und 2. Es werden für gleiche und/oder gleichwirkende Teile die selben Bezugszeichen verwendet.
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Es zeigt:
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1 eine beispielhafte Gesamtdarstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
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2 eine beispielhafte Einzeldarstellung des Läufers.
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1 zeigt eine beispielhafte Gesamtdarstellung des Mehrkoordinatenantriebes, 2 eine Einzeldarstellung des Läufers. Der Mehrkoordinatenantrieb weist einen Stator 1 und einem Läufer 2 auf. Der Stator 1 besteht aus einer massiven, vorzugsweise aus einem Stück gefertigten Gesteinsplatte, insbesondere einer Granitplatte, deren Laufoberflächen eine Ebenheit von weniger als 1 μm aufweisen.
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Der Läufer 2 ist als ein luftgeführtes plattenförmiges Element ausgebildet. Der Läufer trägt an dessen vier Umfangsseiten jeweils den aktiven Teil 10 eines linearen Antriebes. Für den aktiven Teil wird vorzugsweise auf Flachspulen zurückgegriffen.
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Der Läufer wird über einen ersten Rahmen 3 und einen zweiten Rahmen 4 geführt. Der erste Rahmen 3 ermöglicht dabei eine Verschiebung des Läufers in y-Richtung, der zweite Rahmen 4 eine Verschiebung in x-Richtung. Jeder der Rahmen 3 und 4 weist eine Magnetleiste 6 auf. Diese bildet den passiven Teil eines Läufer-Linearantriebes und wirkt jeweils mit dem aktiven Teil, d. h. insbesondere den Flachspulen, an den Umfangsseiten des Läufers zusammen. Es sind jeweils zwei Läufer-Linearantriebe für jeden der beiden Rahmen 3 und 4 vorgesehen. Zwei Läufer-Linearantriebe dienen daher zu einer Läuferbewegung in x-Richtung im Rahmen 4 und zwei Läufer-Linearantriebe dienen zu einer Läuferbewegung in y-Richtung im Rahmen 3.
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Sowohl der Rahmen 3 als auch der Rahmen 4 sind auf dem Stator 1 beweglich angeordnet. Hierzu ist jeder der zwei Rahmen über Luftlager mit dem Stator so verbunden, dass für jeden Rahmen nur eine Bewegung in einer Achse möglich ist. Im hier vorliegenden Beispiel ist der Rahmen 3 in Richtung der x-Achse und der hier darüber gelegene Rahmen 4 in Richtung der y-Achse verschiebbar. Jeder der beiden Rahmen verfügt über je zwei Rahmen-Linearantriebe 8 und 9 bzw. 5 und 5a, die grundsätzlich unabhängig von der Läuferbewegung angesteuert werden können.
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Die Rahmen-Linearantriebe 5 und 5a sowie 8 und 9 sind luftgelagert und werden durch Führungsleisten 12 geführt, die einen integralen Bestandteil des Stators bilden. Die Führungsleisten tragen eine Rahmen-Magnetleiste 14. In diese Rahmen-Magnetleiste greift jeweils ein an den Rahmen angeordnetes Rahmen-Spulenstück 13 ein. Das Rahmen-Spulenstück kann insbesondere als eine Flachspule ausgebildet sein. Von besonderer Bedeutung ist dabei, dass die Rahmen-Linearantriebe so ausgebildet sind, dass diese eine Verschiebung des Rahmens erlauben, die orthogonal zur Verschieberichtung der Läufer-Linearantriebe des jeweiligen Rahmens gerichtet ist, wodurch diese in Richtung der Läufer-Linearantriebe des jeweiligen Rahmens wirkende Kräfte aufnehmen und an den Stator ableiten. Eine zusätzliche Führung der Rahmen wird durch mindestens einseitig angeordnete Führungshaken 15 erreicht. Die umgreifen die Rahmen-Magnetleiste 14 und teilweise auch die Führungsleiste 12 von außen.
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Der hier gezeigte Mehrkoordinatenantrieb weist somit insgesamt acht unabhängige lineare Antriebe auf, die von einer dazugehörigen, hier nicht dargestellten digitalen Steuerung einzeln angesteuert werden.
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Um die Vorrichtung im geregelten Betrieb arbeiten lassen zu können, ist jedem Linear-Läuferantrieb ein optisch-inkrementelles lineares Messsystem zugeordnet. Für den Läufer-Linearantrieb besteht das inkrementelle Messsystem aus einem Messkopf 7 und einem linearem Maßstab 11 oder eine vergleichbare Maßverkörperung. Im hier vorliegenden Beispiel sind die Messköpfe für die Läuferbewegung am jeweiligen Rahmen befestigt und der Maßstab 11 am Läufer. Der Messkopf und der lineare Maßstab bilden ein inkrementelles Auflichtmesssystem, das mit einer Steuereinheit verbunden ist.
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Die Läuferbewegung wird durch ein Ansteuern der Läufer-Linearantriebe bewirkt und durch ein Zusammenspiel mit den Rahmen-Linearantrieben unterstützt. Eine Bewegung des Läufers 2 in y-Richtung erfolgt dabei beispielhaft auf folgende Weise:
Bei dem Läufer 2 werden zunächst beide Läufer-Linearantriebe aktiviert, die sich innerhalb des Rahmens 3 befinden. Dadurch wird auf den Läufer eine Kraft ausgeübt, wodurch dieser nun in y-Richtung bewegt wird. Die dazugehörige Gegenkraft wird dabei über den Rahmen 3 auf dessen luftgelagerten Rahmen-Linearantrieb 8 oder 9 übertragen und von dort in den Stator 1 eingeleitet.
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Während dieser Bewegung wird der in x-Richtung orientierte Rahmen 4 in y-Richtung mitgeführt. Dabei wird der Rahmen 4 von dessen Rahmen-Linearantrieben 5 und 5a so bewegt, dass zwischen diesem und dem Läufer 2 keine Relativbewegung stattfindet und insbesondere ein Anstoßen des Läufers an den Rahmen 4 unterbleibt.
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Gleichzeitig sorgt ein Regler im Zusammenspiel mit den zwei übrigen Antrieben am Läufer dafür, dass die x-Koordinate konstant beibehalten wird und somit nur eine reine Bewegung in y-Richtung stattfindet.
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In entsprechender Weise wird eine Bewegung des Läufers in x-Richtung ausgeführt. Dabei werden die innerhalb des Rahmens 4 angeordneten Läufer-Linearantriebe aktiviert. Der Läufer bewegt sich dann innerhalb des Rahmens 4 in x-Richtung. Um während dieser Bewegung in x-Richtung eine Kollision zwischen dem Läufer 2 und dem Rahmen 3 zu vermeiden, wird nun der Rahmen 3 synchron zur Bewegung des Läufers in x-Richtung bewegt. Dazu werden nun die Rahmen-Linearantriebe 8 und 9 aktiviert, die zwischen dem unteren Rahmen 3 und dem Stator 1 angeordnet sind. Bei der Bewegung in x-Richtung werden nun die entstehenden Gegenkräfte auf die luftgelagerten Rahmen-Linearantriebe 5 und 5a übertragen und an den Stator abgeführt.
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In jedem Fall müssen somit die auf Grund der Läuferbewegung vorhandenen Gegenkräfte nicht von weiteren Antrieben aufgebracht oder ausgeglichen werden, sondern werden direkt über die Rahmenkonstruktion in den Stator eingeleitet.
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Die separat angetriebene synchrone Bewegung des jeweils nicht beteiligten Rahmens dient somit lediglich dazu, die an der getriebenen Läuferbewegung nicht beteiligen Antriebe und Messsysteme so im Eingriff und in einem definierten Zustand zu halten, damit dort eine Bewegung in der nicht gewünschten Achsrichtung verhindert werden kann und Kollisionen zwischen dem synchron bewegten Rahmen und dem Läufer unterbleiben.
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Die beschriebenen Bewegungen in x- und y-Richtung können natürlich auch gleichzeitig stattfinden und überlagert werden. Dadurch können durch den Läufer grundsätzlich beliebige Bahnkurven beschrieben werden. Durch die Rahmenkonstruktion werden die planaren Bewegungen sowohl für den Antrieb als auch für die Positionsmessung auf lineare Systeme mit der dafür realisierbaren hohen Genauigkeit zurückgeführt.
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Durch eine gegenläufige Ansteuerung aller vier Läufer-Linearantriebe und eine entsprechen synchronisierte Ansteuerung der Rahmen-Linearantriebe kann auch eine leichte Verdrehung des Läufers um eine senkrecht auf der xy-Ebene stehende Achse, d. h. die z-Achse ermöglicht werden, die mit rein mechanisch geführten Systemen nicht möglich ist. Diese Verdrehung ist allerdings durch das verfügbare Spiel zwischen dem Läufer und den Rahmen begrenzt.
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Die Erfindung wurde anhand von Ausführungsbeispielen erläutert. Im Rahmen fachmännischen Handelns sind weitere Ausführungsformen möglich. Diese ergeben sich insbesondere aus den Unteransprüchen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Stator
- 2
- Läufer
- 3
- erster Rahmen
- 4
- zweiter Rahmen
- 5, 5a
- Rahmen-Linearantriebe für zweiten Rahmen
- 6
- Magnetleiste für Läufer-Linearantrieb in x-Richtung
- 7
- Messkopf für Läuferposition in y-Richtung
- 8, 9
- Rahmen-Linearantriebe für ersten Rahmen
- 10
- Flachspule für Läufer-Linearantrieb
- 11
- linearer Maßstab, Maßverkörperung
- 12
- Führungsleiste
- 13
- Rahmen-Spulenstück
- 14
- Rahmen-Magnetleiste
- 15
- Führungshaken
