DE102011085327B4

DE102011085327B4 - Positioniervorrichtung, Kreuztisch und Hubeinheit

Info

Publication number: DE102011085327B4
Application number: DE201110085327
Authority: DE
Inventors: Hans Eitzenberger; Jan Harnisch
Original assignee: EITZENBERGER LUFTLAGERTECHNIK GmbH
Current assignee: EITZENBERGER LUFTLAGERTECHNIK GmbH
Priority date: 2011-10-27
Filing date: 2011-10-27
Publication date: 2013-06-06
Anticipated expiration: 2031-10-28
Also published as: DE102011085327A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Hubeinheit (18), die aufweist: einen Hohlzylinder (84), einen innerhalb des Hohlzylinders (84) gelagerten Kolben (86), der in einer Hubrichtung ein- und ausfahrbar ist, eine innerhalb des Hohlzylinders (84) ausgebildete Arbeitskammer (88) zur Aufnahme von Druckluft, wobei die Arbeitskammer (88) eine Wirkfläche (90) des Kolbens (86) kontaktiert, so dass mittels der Druckluft eine auf den Kolben (86) wirkende Hubkraft steuerbar ist, und einen zwischen einer äußeren Mantelfläche (92) des Kolbens (86) und einer inneren Mantelfläche (94) des Hohlzylinders (84) ausgebildeten Zwischenraum (96). Es ist vorgesehen, dass der Zwischenraum (96) aufweist: einen Luftlagerbereich (98), der von Druckluft durchströmbar ist, so dass zwischen dem Hohlzylinder (84) und dem Kolben (86) ein Luftkissen erzeugt wird. Die Erfindung betrifft ferner eine Positioniervorrichtung mit einer solchen Hubeinheit.

Description

Ein erster Aspekt der Beschreibung betrifft eine Positioniervorrichtung mit einer Grundeinheit und einer Trageinheit, wobei die Trageinheit an oder auf der Grundeinheit gelagert und relativ zu der Grundeinheit horizontal bewegbar ist und zum Tragen eines zu positionierenden Objektes eingerichtet ist. Der erste Aspekt betrifft ferner einen Kreuztisch mit einer derartigen Positioniervorrichtung.
Ein zweiter Aspekt betrifft eine Hubeinheit, die aufweist: einen Hohlzylinder; einen innerhalb des Hohlzylinders gelagerten Kolben, der in einer Hubrichtung ein- und ausfahrbar ist; eine innerhalb des Hohlzylinders ausgebildete Arbeitskammer zur Aufnahme von Druckluft, wobei die Arbeitskammer eine Wirkfläche des Kolbens kontaktiert, so dass mittels der Druckluft eine auf den Kolben wirkende Hubkraft steuerbar ist; und einen zwischen einer äußeren Mantelfläche des Kolben und einer inneren Mantelfläche des Hohlzylinders ausgebildeten Zwischenraum. Der zweite Aspekt betrifft ferner eine Positioniervorrichtung mit einer Grundeinheit und einer Trageinheit, wobei die Trageinheit an oder auf der Grundeinheit gelagert und relativ zu der Grundeinheit horizontal bewegbar ist und zum Tragen eines zu positionierenden Objektes eingerichtet ist.
Ein dritter Aspekt betrifft eine Positioniervorrichtung mit einer ersten Baueinheit und einer zweiten Baueinheit, die an- oder aufeinander gelagert sind und relativ zueinander in einer ersten Koordinate und in mindestens einer weiteren Koordinate bewegbar ist. Der dritte Aspekt betrifft ferner einen Messschlitten für eine solche Positioniervorrichtung.
Die Begriffe "horizontal" und "vertikal" sind wie folgt zu verstehen. Der Begriff "horizontal" bezieht sich auf eine festgelegte Ebene in einem festgelegten Bezugssystem. Ebenen und Richtungen, die parallel zu dieser festgelegten Ebene sind, werden als horizontal bezeichnet. Die festgelegte Ebene kann somit unabhängig von der Erdoberfläche oder von dem Schwerefeld der Erde definiert sein. Eine Gerade oder eine Richtung ist vertikal, wenn sie senkrecht zu der festgelegten (horizontalen) Ebene ist. In dieser Anmeldung wird zumindest ein an der Trageinheit und ein an der Grundeinheit festgemachtes Bezugssystem verwendet. Es kann vorgesehen sein, dass die Trageinheit bezüglich der Grundeinheit in eine Grundstellung überführbar ist, in der das an der Grundeinheit festgemachte Bezugssystem und das an der Trageinheit festgemachte Bezugssystem übereinstimmen. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass in dieser Grundstellung die an der Grundeinheit festgemachte Horizontalebene und die an der Trageinheit festgemachte Horizontalebene übereinstimmen. "Raumfest" bedeutet in dieser Anmeldung "fest bezüglich der Grundeinheit". "Körperfest" bedeutet "fest bezüglich der Trageinheit".
Eine horizontale Schwenkung ist eine Schwenkung um eine horizontale Drehachse. Eine vertikale Schwenkung ist eine Schwenkung um eine vertikale Drehachse. Ein vertikaler Drehimpuls ist ein Vektor, der in eine vertikale Richtung zeigt. Ein horizontaler Drehimpuls ist ein Vektor, der in eine horizontale Richtung zeigt. Entsprechendes gilt für Drehmomente und andere Vektoren. Horizontale Bewegungen sind Bewegungen, bei denen sich jeder Punkt eines starren Körpers horizontal bewegt. Horizontale Bewegungen umfassen somit horizontale Verschiebungen und vertikale Schwenkungen.
Ein Luftlager ist ein Lager, in dem mittels Druckluft ein Luftkissen erzeugbar ist. Als Druckluft kann gewöhnliche Luft, also eine Mischung aus Stickstoff, Sauerstoff und anderen Gasen, oder aber ein anderes Gas oder eine andere Gasmischung verwendet werden. Zum Beispiel kann Stickstoff eingesetzt werden, insbesondere für Anwendungen in einer künstlichen Stickstoffatmosphäre.
Ein Kugelgelenk verbindet zwei starre Körper derart untereinander, dass Translationen der beiden Körper relativ zueinander blockiert sind, während Schwenkbewegungen um drei linear unabhängige Achsen zumindest innerhalb eines gewissen Schwenkbereichs erlaubt sind. Ein Kugelgelenk ist demnach durch seine Funktion und nicht durch seine spezielle Bauweise gekennzeichnet.
Ein kardanisches Gelenk verbindet zwei starre Körper derart untereinander, dass Translationen der beiden Körper relativ zueinander sowie eine Schwenkung um eine erste Achse blockiert sind, während Schwenkbewegungen um zwei linear unabhängige Achsen zumindest innerhalb eines gewissen Schwenkbereichs erlaubt sind. Ein kardanisches Gelenk ist demnach durch seine Funktion und nicht durch seine spezielle Bauweise gekennzeichnet.
Ein eindimensionales Linearlager schränkt die Relativbewegung zweier Körper auf Bewegungen entlang einer Geraden ein. Ein zweidimensionales Linearlager schränkt die Relativbewegung zweier Körper auf Bewegungen in einer Ebene ein.
Positioniervorrichtungen der eingangs genannten Art können insbesondere bei der Herstellung von Flachbildschirmen, zum Beispiel Flüssigkristallbildschirmen, Anwendung finden. So kann zum Beispiel das zu positionierende Objekt ein zu bearbeitender Gegenstand sein, zum Beispiel eine Vorstufe eines Flachbildschirms. Die Positioniervorrichtung kann insbesondere für eine Feinpositionierung vorgesehen sein, mittels derer zum Beispiel Abweichungen in der Größe oder Gestalt des Objektes ausgeglichen werden können. Zum Beispiel kann ein Keilfehler eines plattenförmigen Objektes durch eine leichte Kippung des Objekts kompensiert werden.
Das zu positionierende Objekt kann alternativ aber auch eine weitere Positioniervorrichtung sein. Aus mehreren Positioniervorrichtungen, die jeweils eine bestimmte Zahl von Freiheitsgraden bereitstellen, lässt sich eine komplexere Positioniervorrichtung mit einer größeren Zahl an Freiheitsgraden zusammensetzen. Zum Beispiel lassen sich Kreuztische mit weiteren Freiheitsgraden ausstatten, indem weitere Vorrichtungen auf dem Kreuztisch montiert werden. Es resultiert ein Gesamtaufbau, der schwer und voluminös ist. Der Gesamtaufbau kann ferner, da er aus mehreren Komponenten zusammengesetzt ist, fehleranfällig sein. Auch die Höhe des Aufbaus kann zu Positionierungsfehlern und Messfehlern beitragen.
Der Positioniervorrichtung gemäß dem ersten Aspekt liegt die Aufgabe zugrunde, die Positioniervorrichtung derart fortzubilden, dass auf ein zusätzliches Modul zum Schwenken des zu positionierenden Objektes um eine horizontale Achse verzichtet werden kann.
Der Hubeinheit gemäß dem zweiten Aspekt liegt die Aufgabe zugrunde, die Hubeinheit derart auszugestalten, dass sie die Aufnahme hoher Lasten erlaubt und gleichzeitig hochgenau steuerbar ist.
Der Positioniervorrichtung gemäß dem dritten Aspekt liegt die Aufgabe zugrunde, die Positioniervorrichtung mit einer Messvorrichtung zum Messen des Wertes der ersten Koordinate auszustatten.
Die Aufgabe gemäß dem ersten Aspekt wird dadurch gelöst, dass zwischen der Grundeinheit und der Trageinheit eine oder mehrere Hubeinheiten angeordnet sind, die sich jeweils von der Grundeinheit bis an die Trageinheit erstrecken, wobei jede der Hubeinheiten derart steuerbar ist, dass ein der betreffenden Hubeinheit zugeordneter vertikaler Abstand zwischen der Grundeinheit und der Trageinheit steuerbar ist, so dass eine Schwenkung der Trageinheit um eine horizontale Achse relativ zu der Grundeinheit steuerbar ist. Im Vergleich zu einer ebenfalls denkbaren Anordnung, bei der eine oder mehrere Hubeinheiten auf der Trageinheit angeordnet werden und eine weitere Trageinheit tragen, erlaubt die Anordnung der Hubeinheiten zwischen der Grundeinheit und der Trageinheit eine kompaktere, leichtere, robustere und präziser steuerbare Ausführung. Sind mehrere Hubeinheiten, das heißt mindestens zwei Hubeinheiten, vorgesehen, so können diese Hubeinheiten unabhängig voneinander steuerbar sein. Dies ermöglicht es, die Trageinheit um verschiedene horizontale Achsen zu schwenken. Es kann vorgesehen sein, dass die Winkel, um die die Trageinheit relativ zu der Grundeinheit horizontal maximal schwenkbar ist, verhältnismäßig klein sind, zum Beispiel geringer als einer der folgenden Winkel: drei Grad, ein Grad, hundert Bogensekunden, dreißig Bogensekunden und zehn Bogensekunden. Die Hubeinheiten ermöglichen es somit, die Trageinheit relativ zu der Grundeinheit geringfügig zu kippen. Die Hubeinheiten können pneumatisch, elektrisch oder elektropneumatisch angesteuert werden. Die Positioniervorrichtung kann insbesondere für die Positionierung von zu bearbeitenden oder zu montierenden Komponenten in verschiedenen Herstellungsprozessen Anwendung finden, zum Beispiel für die Herstellung von LCD-Bildschirmen, Wafern, Printed Circuit Boards und integrierten Schaltkreisen. Die Trageinheit kann beispielsweise eine ebene Oberfläche zum Tragen des zu positionierenden Objektes aufweisen. Insbesondere flache Objekte, zum Beispiel plattenförmige Substrate, können damit stabil auf der Trageinheit abgelegt werden. Es kann vorteilhaft sein, die Grundeinheit derart zu montieren oder aufzustellen, dass die horizontalen Bewegungen der Trageinheit senkrecht zum Schwerefeld der Erde erfolgen. Dies ermöglicht es, das zu positionierende Objekt unter Ausnützung der Schwerkraft auf der Trageinheit zu lagern. Die Trageinheit kann somit als Tisch verwendet werden. Die Trageinheit kann ferner eine oder mehrere Halterungen aufweisen, mit denen das zu positionierende Objekt an der Trageinheit befestigbar ist.
Die Hubeinheiten können jeweils einen ein- und ausfahrbaren Kolben aufweisen. Vorteilhafterweise ist der Kolben vertikal ein- und ausfahrbar. Die Richtung, in die der Kolben ausfahrbar ist, wird als die Hubrichtung des Kolbens bezeichnet. Eine vertikale Hubrichtung ermöglicht zum einen die Realisierung kurzer Hubwege und erlaubt damit die Verwendung möglichst kurzer Kolben. Zum anderen vermeidet sie unerwünschte Drehmomente und Kräfte, insbesondere wenn die Grundeinheit derart montiert oder aufgestellt ist, dass die Vertikale mit der Richtung der Schwerkraft übereinstimmt. Die Hubeinheiten können ferner jeweils einen Hohlzylinder aufweisen, in dem der Kolben gelagert ist. Der Hohlzylinder kann beispielsweise an der Grundeinheit befestigt sein, während der Kolben an der Trageinheit befestigt ist. Der Hohlzylinder kann alternativ an der Trageinheit befestigt sein, während der Kolben an der Grundeinheit befestigt ist.
Es können drei oder mehr Hubeinheiten vorgesehen sein. Zum Beispiel können drei in den Eckpunkten eines Dreiecks oder vier in den Eckpunkten eines Rechtecks angeordnete Hubeinheiten vorgesehen sein. Bei dem Dreieck und dem Rechteck handelt es sich nicht um ein Bauteil, sondern um geometrische Begriffe, welche die Anordnung der Hubeinheiten beschreiben. Das Dreieck und das Rechteck können sich insbesondere horizontal zwischen der Grundeinheit und der Trageinheit erstrecken. Das Dreieck ist vorteilhafterweise ein spitzwinkliges Dreieck, zum Beispiel ein gleichseitiges Dreieck. Dies begünstigt eine gleichmäßige Belastung der drei Hubeinheiten im Betrieb und kann besonders vorteilhaft sein, wenn die drei Hubeinheiten identisch oder zumindest ähnlich ausgestaltet sind. Die Verwendung von mehr als drei Hubeinheiten kann es zudem erlauben, lokale Unebenheiten oder eine ungleichförmige Masseverteilung des zu tragenden Objekts zumindest teilweise auszuregeln. Sie kann ferner erlauben, eine vergleichsweise dünne Platte als Trageinheit zu verwenden. Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind mehr als vier Hubeinheiten vorgesehen, zum Beispiel fünf, sechs, sieben, acht oder mehr als acht Hubeinheiten. Die Hubeinheiten können beispielsweise in den Gitterpunkten eines gedachten zweidimensionalen horizontalen Gitters angeordnet sein. Das Gitter kann insbesondere ein Gitter mit quadratischer Elementarzelle sein. Die Hubeinheiten stellen drei zusätzliche Freiheitsgrade bereit, nämlich die drei den Hubeinheiten jeweils zugeordneten vertikalen Abstände zwischen der Grundeinheit und der Trageinheit. Diese drei Freiheitsgrade sind äquivalent zu den drei folgenden Freiheitsgraden: ein vertikaler Abstand zwischen der Grundeinheit und der Trageinheit (zum Beispiel der Abstand zwischen einem zentralen Punkt der Grundeinheit und einem zentralen Punkt der Trageinheit); ein Winkel θ (Kippwinkel), der die Neigung einer körperfesten vertikalen Achse (also einer sich mit der Trageinheit mitbewegenden z-Achse, die auch als körperfeste z-Achse bezeichnet wird) relativ zu der Grundeinheit beschreibt; und ein Horizontalwinkel φ, der eine Schwenkung der körperfesten z-Achse um eine relativ zu der Grundeinheit feste vertikale Achse beschreibt. Der Kippwinkel θ und der Horizontalwinkel φ lassen sich äquivalent auch durch zwei Kippwinkel θ_X und θ_Y beschreiben, wobei θ_X eine Schwenkung der Trageinheit um eine erste horizontale Achse, zum Beispiel eine x-Achse, beschreibt und wobei θ_Y eine Schwenkung um eine zweite horizontale Achse, zum Beispiel eine zu der x-Achse orthogonale y-Achse, beschreibt. Der Kippwinkel θ und der Horizontalwinkel φ sind ferner äquivalent zu zwei von insgesamt drei Eulerwinkeln, welche die Orientierung der Trageinheit relativ zu der Grundeinheit beschreiben. Der dritte Eulerwinkel ist je nach Ausführungsform fest oder veränderbar; ist er veränderbar, so beschreibt er eine Schwenkung der Trageinheit um die körperfeste z-Achse. Die Ausführungsform mit vier Hubeinheiten stellt dieselben drei Freiheitsgrade wie die soeben beschriebene Ausführungsform mit drei Hubeinheiten bereit. Im Falle von vier Hubeinheiten ist die Position der Trageinheit relativ zu der Grundeinheit statisch überbestimmt. Die Rechteckkonfiguration erlaubt eine besonders stabile Lagerung der Trageinheit. Jedoch kann sie eine etwas aufwendigere Steuerung der vier Hubeinheiten mit sich bringen, da die vier Hubeinheiten nicht unabhängig voneinander gesteuert werden können, wenn sichergestellt sein soll, dass die vier Hubeinheiten gleichmäßig belastet werden. Ferner kann vorteilhaft sein, dass mindestens zwei Hubeinheiten vorgesehen sind und dass für jede Hubeinheit gilt, dass die horizontalen Abstände der betreffenden Hubeinheit zu den anderen Hubeinheiten jeweils mindestens doppelt so groß sind wie ein maximaler Hub der betreffenden Hubeinheit. Dies bedeutet, dass verhältnismäßig große Hübe verhältnismäßig kleine Schwenkungen der Trageinheit bewirken. Die Schwenkwinkel lassen sich somit besonders präzise steuern. Die Hubrichtungen der Hubeinheiten sind vorzugsweise parallel zueinander.
Es kann vorgesehen sein, dass die Positioniervorrichtung einen Schlitten aufweist, der über mindestens ein Linearlager an einer Schiene der Grundeinheit gelagert ist, wobei die Trageinheit über ein Kugelgelenk oder über ein kardanisches Gelenk an dem Schlitten gelagert ist. Die Schiene bildet zusammen mit dem Schlitten eine Linearführungseinrichtung, mittels derer die Trageinheit auf einem in der Horizontalebene definierten Weg verschiebbar ist. Der Weg wird durch die horizontal verlaufende Schiene bestimmt. Der Weg kann gerade oder aber gekrümmt sein. Die Schiene kann beispielsweise als ein Steg ausgebildet sein. Zum Beispiel kann ein Steg an der Grundeinheit befestigt oder einstückig mit der Grundeinheit ausgebildet sein. Das kardanische Gelenk (Kardangelenk) erlaubt eine Schwenkung der Trageinheit um eine horizontale Achse, welche tangential oder parallel zu der Schiene verläuft. Das Kugelgelenk erlaubt zusätzlich eine Schwenkung der Trageinheit um eine vertikale Achse. Die Schwenkung um die zu der Schiene tangentiale oder parallele horizontale Achse wird dabei, wie bereits beschrieben, über die eine oder mehrere Hubeinheiten gesteuert. Der Schlitten kann eine der Schiene zugewandte ebene erste Oberfläche aufweisen, wobei zwischen der Schiene und der ersten Oberfläche das Linearlager ausgebildet ist. Der Schlitten kann ferner eine der Trageinheit zugewandte konvexe zweite Oberfläche aufweisen, wobei zwischen der zweiten Oberfläche und der Trageinheit das Kugelgelenk oder das Kardangelenk ausgebildet ist. Die zweite Oberfläche des Schlittens kann insbesondere zylindrisch konvex oder sphärisch konvex sein.
In diesem Zusammenhang kann vorgesehen sein, dass die Hubeinheiten an der Trageinheit befestigt sind. Sie können insbesondere starr befestigt sein. Die Hubeinheiten bewegen sich somit mit der Trageinheit mit, wenn diese entlang der Schiene verschoben wird. Dies erlaubt es, die Trageinheit über beliebig lange Distanzen entlang der Schiene zu verschieben, eine entsprechende Schienenlänge vorausgesetzt. Alternativ kann vorgesehen sein, dass die Hubeinheiten an der Grundeinheit befestigt sind. Zum Beispiel können sie starr an ihr befestigt sein. In diesem Fall bewegen sich die Hubeinheiten mit der Trageinheit nicht mit, wenn letztere entlang der Schiene verschoben wird. Diese Ausführungsform eignet sich besonders für Anwendungen, bei denen die Trageinheit nur über kurze Distanzen horizontal verschoben werden soll.
Zwischen den Hubeinheiten und der Grundeinheit kann jeweils mindestens ein horizontales Linearlager ausgebildet sein. Die Hubeinheiten sind somit horizontal entsprechend der Führungsrichtung der Schiene verschiebbar, zum Beispiel gemeinsam mit der Trageinheit. Darüberhinaus können sie um eine durch das genannte Kugelgelenk definierte vertikale Achse schwenkbar sein. Alternativ kann zwischen den Hubeinheiten und der Trageinheit jeweils mindestens ein Linearlager ausgebildet sein. Die genannten Linearlager können insbesondere als Luftlager ausgeführt sein. Vorteilhafterweise besitzen die Linearlager jeweils einen gewissen Toleranzbereich im Hinblick auf horizontale Schwenkungen der Trageinheit. Diese Toleranzen erlauben horizontale Schwenkungen der Trageinheit in einem gewissen relativ kleinen Winkelbereich, in anderen Worten, geringfügige Verkippungen der Trageinheit relativ zu der Grundeinheit, zum Beispiel in einem Bereich von minus ein Grad bis plus ein Grad relativ zur Horizontalebene.
Die Positioniervorrichtung kann ferner einen oder mehrere Linearmotoren aufweisen, die dazu eingerichtet sind, auf die Trageinheit eine parallel zu einer Führungsrichtung der Schiene gerichtete Antriebskraft auszuüben. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass ein erster und ein zweiter dieser Linearmotoren auf entgegengesetzten Seiten der Schiene angeordnet sind. Die beiden Linearmotoren können derart gesteuert werden, dass sie zusammen eine kombinierte in Führungsrichtung der Schiene gerichtete Antriebskraft erzeugen und zusätzlich oder alternativ ein vertikales Drehmoment erzeugen. Durch das vertikale Drehmoment kann die Trageinheit um eine vertikale Achse geschwenkt werden. Vorteilhafterweise sind der erste und der zweite Linearmotor unabhängig voneinander steuerbar. Der erste und der zweite Linearmotor können beispielsweise derart gesteuert werden, dass sie einem Gieren des Schlittens aktiv entgegenwirken und das Gieren damit reduzieren oder vollständig unterdrücken. Das Gieren ist ein unerwünschtes Hin- und Herschwenken der Trageinheit um eine vertikale Achse.
Es kann vorgesehen sein, dass die Trageinheit über ein Kugelgelenk an der Grundeinheit gelagert und relativ zu der Grundeinheit um eine bezüglich der Trageinheit feste Drehachse schwenkbar ist. Die Trageinheit ist somit um eine körperfeste Drehachse schwenkbar. Die körperfeste Drehachse kann insbesondere eine vertikale körperfeste Drehachse sein. Es sei hier an die oben gemachten Erläuterungen der Begriffe "horizontal" und "vertikal" erinnert. Dementsprechend kann vorgesehen sein, dass in einer Grundstellung die körperfeste vertikale Drehachse auch bezüglich der Grundeinheit vertikal ist. In dieser Grundstellung ist der Kippwinkel q = 0. Bei dieser Ausführungsform ist die Trageinheit nicht notwendigerweise horizontal relativ zu der Grundeinheit verschiebbar. Im Vergleich zu der oben im Hinblick auf die Schiene beschriebenen Ausführungsform kann sie einen translatorischen Freiheitsgrad weniger aufweisen. Einem Verzicht auf diesen translatorischen Freiheitsgrad kann jedoch ein vergrößerter Schwenkbereich für Schwenkungen um die genannte bezüglich der Trageinheit feste Drehachse gegenüberstehen. Es kann vorgesehen sein, dass die Trageinheit und mit ihr die genannte Drehachse (körperfeste vertikale Achse) nur um einen relativ kleinen Kippwinkel q gegen eine bezüglich der Grundeinheit feste Vertikalachse schwenkbar ist, zum Beispiel um nicht mehr als 1 Grad, 2 Grad oder 3 Grad.
Bei dieser Ausführungsform sind die Hubeinheiten vorteilhafterweise an der Grundeinheit befestigt. Die Hubeinheiten werden somit nicht mit der Trageinheit mitgeschwenkt. Dies erleichtert insbesondere die Ansteuerung der Hubeinheiten.
Zwischen den Hubeinheiten und der Trageinheit kann jeweils mindestens ein Linearlager ausgebildet sein. Das Linearlager erlaubt die horizontale Bewegung der Trageinheit relativ zu der betreffenden Hubeinheit. Das Linearlager ist vorteilhafterweise tolerant gegenüber geringfügigen horizontalen Schwenkungen der Trageinheit relativ zu der Grundeinheit. Geringfügige Schwenkungen sind zum Beispiel Schwenkungen von nicht mehr als einem Grad, zwei Grad oder vier Grad.
Die Positioniervorrichtung kann ferner einen oder mehrere Motoren aufweisen, die dazu eingerichtet sind, ein vertikales Drehmoment auf die Trageinheit auszuüben. Das Drehmoment kann beispielsweise über eine vertikale Welle übertragen werden. Alternativ oder zusätzlich können ein oder mehrere Linearmotoren oder Tauchspulenmotoren verwendet werden, um Tangentialkräfte zu erzeugen, die das vertikale Drehmoment ergeben.
Die Positioniervorrichtung kann insbesondere in einen Kreuztisch integriert sein.
Die Aufgabe gemäß dem zweiten Aspekt wird dadurch gelöst, dass der Zwischenraum zwischen dem Kolben und dem Hohlzylinder einen Luftlagerbereich aufweist, der von Druckluft durchströmbar ist, so dass zwischen dem Hohlzylinder und dem Kolben ein Luftkissen erzeugt wird. Mit Hilfe des Luftkissens gelingt eine reibungsarme und gleichzeitig steife Lagerung des Kolbens.
Der Zwischenraum kann ferner aufweisen: einen Dichtungsbereich, der mit der Arbeitskammer kommuniziert; und mindestens einen zwischen dem Luftlagerbereich und dem Dichtungsbereich ausgebildeten Abströmbereich, der über mindestens einen durch den Hohlzylinder hindurchführenden Kanal mit mindestens einem Luftauslass verbunden ist, so dass über den Abströmbereich sowohl Druckluft aus dem Luftlagerbereich als auch Leckluft aus dem Dichtungsbereich abführbar sind. Durch das Vorsehen eines derartigen Abströmbereichs kann weitgehend vermieden werden, dass Druckluft aus dem Luftlagerbereich in den Dichtungsbereich und damit in die Arbeitskammer einströmt, und dass umgekehrt Druckluft aus der Arbeitskammer in den Luftlagerbereich überströmt. Die Drücke in der Arbeitskammer und in dem Luftlagerbereich lassen sich daher im Wesentlichen unabhängig voneinander steuern. Das Druckprofil im Luftlagerbereich kann beispielsweise durch Steuern eines Versorgungsdrucks des Luftlagers gesteuert werden. Der Druck in der Arbeitskammer kann durch Steuern eines an die Arbeitskammer angelegten Drucks gesteuert werden.
Es kann vorgesehen sein, dass sich der mindestens eine Abströmbereich entlang einer Umfanglinie der inneren Mantelfläche des Hohlzylinders erstreckt. Die Umfanglinie ist eine in sich geschlossene, zum Beispiel ringförmige, Kontur auf der Mantelfläche, die den durch den Hohlzylinder definierten Hohlraum umläuft. Dies favorisiert eine gleichmäßige Druckluftabfuhr entlang der Umfanglinie. Die Umfanglinie kann insbesondere in einer zu der Hubrichtung senkrechten Ebene liegen.
Weiter kann vorgesehen sein, dass die innere Mantelfläche des Hohlzylinders an dem mindestens einen Abströmbereich eine Nut aufweist. Durch die Nut wird der Abströmbereich radial nach außen hin erweitert. Die Breite der Nut bestimmt die Breite des Abströmbereichs.
Es kann vorgesehen sein, dass die Nut eine Breite aufweist, die größer ist als ein minimaler Abstand zwischen der äußeren Mantelfläche des Kolbens und der inneren Mantelfläche des Hohlzylinders. Der Abströmbereich ist somit als eine Aufweitung des Zwischenraums ausgebildet. Der Abströmbereich ist damit hinreichend geräumig, um ein Überströmen von Druckluft aus dem Luftlagerbereich in den Dichtungsbereich oder umgekehrt weitgehend zu vermeiden. Von der Nut aus können ein oder mehrere Kanäle durch den Hohlzylinder hindurch nach außen führen. Die Nut stellt sich somit als ein Verteilerring dar, in dem Leckluft aus dem Dichtungsbereich und Druckluft aus dem Luftlagerbereich konvergieren. Die Kanäle können beispielsweise als Bohrungen ausgeführt sein. Die Kanäle können sternförmig von der Nut aus nach außen führen. Sie können zum Beispiel in die Atmosphäre münden oder aber Teil eines geschlossenen Kreislaufes sein. Die Nut kann beispielsweise doppelt so breit sein wie ein minimaler Abstand zwischen der äußeren Mantelfläche des Kolbens und der inneren Mantelfläche des Hohlzylinders im Luftlagerbereich und im Dichtungsbereich.
Der mindestens eine Kanal und der mindestens eine Luftauslass können derart große Querschnitte aufweisen, dass sie gemeinsam eine Drosselwirkung haben, die im Vergleich zu einer Drosselwirkung des Luftlagerbereichs und im Vergleich zu einer Drosselwirkung des Dichtungsbereichs vernachlässigbar gering ist. Die Drücke im Zwischenbereich werden auf die Weise von den Drücken stromabwärts des Abströmbereichs entkoppelt. Der Druck im Abströmbereich kann der Umgebungsdruck oder Atmosphärendruck sein.
Die Hubeinheit kann mit einer Antriebseinrichtung zum Erzeugen einer zusätzlichen Hubkraft ausgestattet sein. Die Antriebseinrichtung kann einer Feinsteuerung des Kolbens dienen. Die Hubeinheit kann beispielsweise derart betrieben werden, dass die Wirkfläche des Kolbens mit einem Druck beaufschlagt wird, der eine entgegengesetzte, auf den Kolben wirkende Kraft, zum Beispiel eine Gewichtskraft, exakt oder in etwa kompensiert. Über die Antriebseinrichtung kann dann eine zusätzliche, der pneumatischen Kraft entgegenwirkende oder sie unterstützende Hubkraft angelegt werden, um den Kolben präzise zu steuern.
Die Antriebseinrichtung kann zum Beispiel einen Elektromotor aufweisen. Dem liegt die Erkenntnis zugrunde, dass sich der durch den Elektromotor fließende elektrische Strom schneller und präziser steuern und regeln lässt als der Druck in der Arbeitskammer. Der Elektromotor kann einen Magneten und eine Spule aufweisen, die beide innerhalb des Hohlzylinders angeordnet sind. Hierbei handelt es sich um eine besonders kompakte und robuste Bauform. Der Elektromotor kann zum Beispiel ein Tauchspulenmotor sein. Es kann vorgesehen sein, dass die Spule in Bezug auf Hubbewegungen des Kolbens fest an dem Hohlzylinder gelagert ist, während der Magnet im Bezug auf Hubbewegungen des Kolbens fest an dem Kolben gelagert ist. Der Magnet kann insbesondere ein Dauermagnet sein. Die Lagerung der Spule an dem Hohlzylinder vereinfacht die elektrische Kontaktierung der Spule. Die Spule und der Magnet können insbesondere jeweils starr mit dem Hohlzylinder beziehungsweise mit dem Kolben verbunden sein. Die Hubeinheit kann eine sich in Hubrichtung erstreckende Säule aufweisen, an der der Magnet oder die Spule oder sowohl der Magnet als auch die Spule gelagert sind. Sowohl der Magnet als auch die Spule können zumindest teilweise innerhalb der Arbeitskammer angeordnet sein.
Auf einer Stirnseite der Hubeinheit kann eine Luftlagerfläche ausgebildet sein. Eine Luftlagerfläche ist eine Oberfläche eines Körpers, die dazu vorgesehen ist, den Körper über ein Luftkissen an einer Oberfläche eines zweiten Körpers zu lagern. Die beiden Oberflächen werden auch als Luftlagerfläche und Luftlager-Gegenfläche bezeichnet. Eine Luftlagerfläche kann eine Druckluftöffnung, zum Beispiel eine Düse, aufweisen. Durch die Druckluftöffnung ist Druckluft in einen Zwischenraum zwischen der Luftlagerfläche und der Luftlager-Gegenfläche einleitbar, um das Luftkissen zu bilden.
Die Luftlagerfläche kann relativ zu dem Hohlzylinder oder relativ zu dem Kolben um mindestens eine zu der Hubrichtung orthogonale Achse schwenkbar sein. Die Hubeinheit ist damit flexibler einsetzbar, insbesondere als Hubeinheit zwischen zwei gegeneinander verschwenkbaren Körpern.
Die hier beschriebene Hubeinheit kann insbesondere in einer der hier beschriebenen Positioniervorrichtungen eingesetzt werden. So können zwischen der Grundeinheit und der Trageinheit eine oder mehrere Hubeinheiten angeordnet sein, wobei jede der Hubeinheiten derart steuerbar ist, dass ein der betreffenden Hubeinheit zugeordneter vertikaler Abstand zwischen der Grundeinheit und der Trageinheit steuerbar ist, womit eine Schwenkung der Trageinheit um eine horizontale Achse relativ zu der Grundeinheit steuerbar ist.
Die Positioniervorrichtung gemäß dem dritten Aspekt löst die ihr zugrunde liegende Aufgabe dadurch, dass sie eine Messvorrichtung zum Messen der ersten Koordinate aufweist, wobei die Messvorrichtung einen Messschlitten aufweist, der derart an die beiden Baueinheiten gekoppelt ist, dass der Messschlitten:

– ortsfest relativ zu der ersten Baueinheit bleibt, wenn die beiden Baueinheiten relativ zueinander derart bewegt werden, dass sich der Wert der ersten Koordinate ändert und sich die Werte der weiteren Koordinaten nicht ändern,
– sich mit der zweiten Baueinheit mitbewegt, wenn die beiden Baueinheiten relativ zueinander derart bewegt werden, dass sich mindestens ein Wert der weiteren Koordinaten ändert und sich der Wert der ersten Koordinate nicht ändert.

In anderen Worten, der Messschlitten bleibt bei Änderungen der zu messenden Koordinate unbeweglich relativ zu der ersten Baueinheit und bei Änderungen der anderen Koordinaten unbeweglich relativ zu der zweiten Baueinheit. Die Position des Messschlittens relativ zu der ersten Baueinheit entspricht somit dem aktuellen Wert der zu messenden ersten Koordinate. Diese Position wiederum kann in ein Messsignal, zum Beispiel in ein optisches oder elektrisches Messsignal, übersetzt werden. Bei einer ersten Ausführungsform ist die erste Baueinheit die Grundeinheit und die zweite Baueinheit ist die Trageinheit. Bei einer zweiten Ausführungsform ist die zweite Baueinheit die Grundeinheit und die erste Baueinheit ist die Trageinheit.
Es kann vorgesehen sein, dass die erste Koordinate eine Schwenkung der zweiten Baueinheit um eine bezüglich der zweiten Baueinheit feste vertikale Drehachse angibt und eine der weiteren Koordinaten eine Schwenkung der Drehachse relativ zu der ersten Baueinheit angibt. Die Messvorrichtung ist somit imstande, Schwenkungen der zweiten Baueinheit relativ zu der ersten Baueinheit um die bezüglich der zweiten Baueinheit feste vertikale Drehachse zu messen. Der Messschlitten ist derart gelagert, dass er ortsfest relativ zu der ersten Baueinheit (zum Beispiel der Grundeinheit) bleibt, wenn die zweite Baueinheit (zum Beispiel die Trageinheit) relativ zu der ersten Baueinheit um die bezüglich der zweiten Baueinheit feste vertikale Drehachse geschwenkt wird, er sich jedoch mit der zweiten Baueinheit mitbewegt, wenn die zweite Baueinheit relativ zu der ersten Baueinheit um eine zu der genannten Drehachse senkrechte Achse geschwenkt wird. Der Messschlitten filtert somit aus den verschiedenen Freiheitsgraden den zu messenden Freiheitsgrad heraus, in diesem Fall die Schwenkung der zweiten Baueinheit (zum Beispiel der Trageinheit) relativ zu der ersten Baueinheit (zum Beispiel der Grundeinheit) um die bezüglich der zweiten Baueinheit feste vertikale Drehachse. Zu jedem Zeitpunkt entspricht die Lage des Messschlittens relativ zu der zweiten Baueinheit damit einem Winkel, um den die zweite Baueinheit verschwenkt ist. Diese bezüglich der zweiten Baueinheit feste vertikale Drehachse stimmt in einem ungekippten Zustand (θ = 0) der zweiten Baueinheit mit der bezüglich der ersten Baueinheit definierten vertikalen Richtung überein, ist jedoch im Allgemeinen zu ihr um den Kippwinkel θ geneigt. Das Messen der Schwenkungen in dem an der zweiten Baueinheit festgemachten Bezugssystem kann die Steuerung der Bewegung der zweiten Baueinheit relativ zu der ersten Baueinheit erleichtern.
Alternativ kann vorgesehen sein, dass die erste Koordinate eine horizontale Verschiebung der zweiten Baueinheit relativ zu der ersten Baueinheit angibt und eine der weiteren Koordinaten eine Schwenkung der zweiten Baueinheit relativ zu der ersten Baueinheit um eine horizontale Achse angibt.
Zwischen dem Messschlitten und der zweiten Baueinheit kann ein horizontales Linearlager ausgebildet sein. Das horizontale Linearlager bindet den Messschlitten an die zweite Baueinheit (zum Beispiel an die Trageinheit), erlaubt der zweiten Baueinheit aber, relativ zu dem Messschlitten um die bezüglich der zweiten Baueinheit feste vertikale Achse geschwenkt zu werden. Es kann vorgesehen sein, dass nur ein relativ kleiner Schwenkbereich erlaubt ist, so dass die Schwenkbewegung lokal durch eine lineare Bewegung (Tangentialbewegung) approximiert werden kann. Es kann jedoch auch ein gekrümmtes Lager zum Einsatz kommen, das einem Kreisbogen entspricht. Das horizontale Linearlager kann ein magnetisch vorgespanntes oder magnetisch vorspannbares Luftlager sein. Zu diesem Zweck können der Messschlitten oder die zweite Baueinheit oder beide jeweils mindestens einen Magneten aufweisen, der dazu vorgesehen ist, eine anziehende Kraft zwischen dem Messschlitten und der zweiten Baueinheit zu erzeugen. Hierfür eignen sich in erster Linie Permanentmagnete, doch können auch Elektromagnete verwendet werden.
Es kann vorgesehen sein, dass der Messschlitten an einer horizontalen Schiene der zweiten Baueinheit angeordnet ist. Die Schiene dient der Führung des Messschlittens. Ist die zu messende Koordinate ein Winkel, und ist der interessierende Winkelbereich hinreichend klein, so kann die Schiene geradlinig sein. Für größere Winkelbereiche kann eine kreisförmig gekrümmte Schiene, die einem Kreisbogen entspricht, vorteilhaft sein.
Es kann vorgesehen sein, dass der Messschlitten über ein Kugelgelenk oder über ein Kardangelenk an die erste Baueinheit gekoppelt ist. Dadurch wird verhindert, dass sich der Messschlitten im Hinblick auf die zu messenden vertikalen Schwenkungen der zweiten Baueinheit mit der zweiten Baueinheit mitbewegt. Das Kugelgelenk oder das Kardangelenk erlaubt dem Messschlitten jedoch, im Hinblick auf horizontale Schwenkungen der zweiten Baueinheit sich mit dieser mitzubewegen.
Das Kugelgelenk oder das Kardangelenk ist vorteilhafterweise auf einer horizontalen Drehachse der zweiten Baueinheit angeordnet. Entlang einer solchen Drehachse sind die mit der horizontalen Schwenkung verbundenen vertikalen Abstandsänderungen zwischen der zweiten Baueinheit und der ersten Baueinheit besonders gering, so dass das Kugelgelenk oder das Kardangelenk der Messvorrichtung besonders klein gestaltet werden kann.
Alternativ oder zusätzlich kann der Messschlitten über ein zweidimensionales Linearlager an die erste Baueinheit gekoppelt sein, wobei das zweidimensionale Linearlager eine Vertikal- und eine Horizontalbewegung des Messschlittens relativ zu der ersten Baueinheit erlaubt. Sofern das Linearlager ausreichend Spiel bietet, kann auf das zuvor genannte Kugelgelenk oder Kardangelenk der Messvorrichtung verzichtet werden. Das Linearlager erlaubt dem Messschlitten insbesondere, sich bei Vertikalbewegungen der zweiten Baueinheit mit der zweiten Baueinheit mitzubewegen. Eine derartige Vertikalbewegung kann beispielsweise durch ein synchrones Einfahren oder Ausfahren der im Zusammenhang mit dem ersten Aspekt beschriebenen Hubeinheiten bewirkt werden. Das Linearlager kann ein magnetisch vorgespanntes oder magnetisch vorspannbares Luftlager sein. Das Linearlager bindet damit den Messschlitten im Hinblick auf die zu messende erste Koordinate an die erste Baueinheit.
Insbesondere kann vorgesehen sein, dass der Messschlitten über ein Kugelgelenk oder über ein Kardangelenk an einen Kopplungskörper gekoppelt ist und der Kopplungskörper über ein zweidimensionales Linearlager an die erste Baueinheit gekoppelt ist. Das Kugelgelenk oder das Kardangelenk bilden zusammen mit dem Kopplungskörper ein Gelenk, welches dem Messschlitten die nötigen Freiheitsgrade verschafft, um der zweiten Baueinheit bis auf die zu messende Bewegung zu folgen.
Der Messschlitten kann einen ersten Maßstab aufweisen und die zweite Baueinheit kann einen zweiten Maßstab aufweisen, wobei ein Messkopf vorgesehen ist, der imstande ist, ein von einer Verschiebung des zweiten Maßstabs relativ zu dem ersten Maßstab abhängiges Messsignal zu erzeugen. Zum Beispiel kann der Messschlitten eine erste Strichteilung aufweisen und die zweite Baueinheit kann eine zweite Strichteilung aufweisen, wobei die erste und die zweite Strichteilung zumindest teilweise überlappen und geeignet sind, eine Lichtintensität in Abhängigkeit von der zu messenden Koordinate zu modulieren. Der Messschlitten kann ferner einen Sensor zum Messen der modulierten Lichtintensität aufweisen. Der Sensor kann zum Beispiel eine oder mehrere Fotodioden enthalten.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen gleiche oder ähnliche Komponenten.
Es zeigen:
1 eine Schrägansicht eines ersten Beispiels einer Positioniervorrichtung;
2 eine weitere Schrägansicht der Positioniervorrichtung aus 1;
3 eine Seitenansicht der Positioniervorrichtung aus 1;
4 eine Schrägansicht eines zweiten Beispiels einer Positioniervorrichtung;
5 eine Schrägansicht einer Grundeinheit der Positioniervorrichtung aus 4;
6 eine Schrägansicht einer Trageinheit der Positioniervorrichtung aus 4;
7 eine erste Seitenansicht, eine zweite Seitenansicht, eine Draufsicht, eine Schrägansicht, sowie einen Längsschnitt eines Beispiels einer Hubeinheit;
8 eine vergrößerte Darstellung des Längsschnitts der Hubeinheit aus 7;
9 eine Vorderansicht, eine Seitenansicht, eine Rückansicht, eine Draufsicht sowie eine Schrägansicht einer Messvorrichtung der Positioniervorrichtung aus 4;
10 eine Explosionszeichnung einer Messvorrichtung;
11 ein Kugelgelenk der Messvorrichtung aus 10;
12 eine Explosionszeichnung des Messvorrichtung aus 10;
13 eine Explosionszeichnung der Messvorrichtung aus 10;
14 eine Schrägansicht eines Beispiels einer Positioniervorrichtung;
15 eine Schrägansicht der Positioniervorrichtung aus 14;
16 eine Detailansicht der Positioniervorrichtung aus 14.
Räumliche Angaben wie zum Beispiel "oben", "unten", "rechts", "links", "vorne" und '"hinten" beschreiben, sofern sie verwendet werden, lediglich die relative Anordnung der betreffenden Bauteile zueinander. Diese Angaben beziehen sich auf einen festen Blickwinkel des Betrachters.
Die 1 bis 3 zeigen ein erstes Beispiel einer Positioniervorrichtung 10. Die Positioniervorrichtung 10 weist eine Grundeinheit 12 und eine Trageinheit 14 auf. In 2 ist die Trageinheit 14 entfernt, um den Blick auf einen zwischen der Grundeinheit 12 und der Trageinheit 14 ausgebildeten Zwischenraum 16 freizugeben. Die Trageinheit 14 ist an oder auf der Grundeinheit 12 derart gelagert, dass sie relativ zu der Grundeinheit 12 horizontal bewegbar ist. Die Trageinheit 14 ist dazu eingerichtet, ein zu positionierendes Objekt (nicht dargestellt) zu tragen. Das zu positionierende Objekt kann beispielsweise eine weitere (andere oder identische) Positioniervorrichtung oder zum Beispiel ein zu bearbeitender Gegenstand sein.
Zwischen der Grundeinheit 12 und der Trageinheit 14 sind eine oder mehrere Hubeinheiten angeordnet. In dem gezeigten Beispiel sind insgesamt drei Hubeinheiten 18, 20, 22 vorgesehen. Jede der Hubeinheiten 18, 20, 22 ist derart steuerbar, dass ein der betreffenden Hubeinheit 18, 20, oder 22 zugeordneter vertikaler Abstand zwischen der Grundeinheit 12 und der Trageinheit 14 steuerbar ist. Dadurch ist eine horizontale Schwenkung der Trageinheit 14 relativ zu der Grundeinheit 12 steuerbar.
Die soeben genannten horizontalen und vertikalen Richtungen sind bezüglich der Grundeinheit 12 definiert. Sie können durch ein bezüglich der Grundeinheit 12 ortsfestes Koordinatensystem xyz beschrieben werden. In dem gezeigten Beispiel ist die xy-Ebene eine Horizontalebene, während die zu der xy-Ebene senkrechte z-Achse eine Vertikalachse ist. In dem gezeigten Beispiel ist die Trageinheit 14 in y-Richtung verschiebbar. Insofern ist die Trageinheit 14 horizontal bewegbar. Durch geeignete Ansteuerung der Hubeinheiten 18, 20, 22 ist die Trageinheit 14 darüber hinaus horizontal schwenkbar. Dies bedeutet, dass sie um mindestens eine horizontale Achse schwenkbar ist. Die erlaubten horizontalen Drehachsen für die Schwenkbewegung werden durch die den Hubeinheiten 18, 20, 22 zugeordneten vertikalen Abstände bestimmt. Den genannten vertikalen Abständen, oder anders ausgedrückt, dem Zustand der drei Hubeinheiten 18, 20, 22, lässt sich eine bezüglich der Trageinheit 14 feste Ebene zuordnen, innerhalb derer die erlaubten Drehachsen der durch die Hubeinheiten steuerbaren Schwenkbewegung liegen. Diese Ebene wird auch als körperfeste horizontale Ebene bezeichnet. Als körperfest wird in dieser Anmeldung jeder Punkt und jede Richtung bezeichnet, die ortsfest bezüglich der Trageinheit 14 sind, sich also mit der Trageinheit 14 mitbewegen.
In dem gezeigten Beispiel weisen die Hubeinheiten 18, 20, 22 jeweils einen ein- und ausfahrbaren Kolben auf. Die Kolben sind jeweils vertikal, hier also in z-Richtung ein- und ausfahrbar. Die Länge, um die der jeweilige Kolben (zum Beispiel der Kolben der Hubeinheit 18) ausgefahren ist, bestimmt den der betreffenden Hubeinheit zugeordneten vertikalen Abstand zwischen der Trageinheit 14 und der Grundeinheit 12 (in dem genannten Beispiel der der Hubeinheit 18 zugeordnete vertikale Abstand). Der jeweilige vertikale Abstand kann jeweils definiert werden als der Abstand zwischen einem festen Punkt der Grundeinheit 12 und einem vertikal darüber oder darunter angeordneten festen Punkt der Trageinheit 14.
In dem gezeigten Beispiel sind die Hubeinheiten 18, 20, 22 in den Eckpunkten eines spitzwinkligen Dreiecks angeordnet. Das spitzwinklige Dreieck kann insbesondere ein gleichseitiges Dreieck sein. Durch Einfahren oder Ausfahren des Kolbens der Hubeinheit 18 lässt sich die Trageinheit 14 um eine die Hubeinheit 20 mit der Hubeinheit 22 verbindende Seite des Dreiecks schwenken. Durch Einfahren oder Ausfahren des Kolbens der Hubeinheit 20 lässt sich die Trageinheit 14 um eine die Hubeinheit 22 mit der Hubeinheit 18 verbindende Seite des Dreiecks schwenken. Durch Einfahren oder Ausfahren des Kolbens der Hubeinheit 22 lässt sich die Trageinheit 14 um eine die Hubeinheit 18 mit der Hubeinheit 20 verbindende Seite des Dreiecks schwenken.
Bei einer Variante der gezeigten Positioniervorrichtung 10 sind insgesamt vier Hubeinheiten ähnlich den Hubeinheiten 18, 20, 22 vorgesehen. Die vier Hubeinheiten können in den Eckpunkten eines Rechtecks angeordnet sein. Durch synchrone Ansteuerung von jeweils zwei der vier Hubeinheiten lässt sich die Trageinheit 14 dann um jede beliebige Achse, die einen Eckpunkt des Rechtecks mit einem anderen Eckpunkt des Rechtecks verbindet, schwenken.
Jede der Hubeinheiten 18, 20, 22 weist einen maximalen Hub auf. Der maximale Hub ist der Längenunterschied der Position des Kolben im voll ausgefahrenen Zustand und der Position des Kolbens im voll eingefahrenen Zustand. Der maximale Hub kann klein sein im Vergleich zu den gegenseitigen Abständen der Hubeinheiten. In dem gezeigten Beispiel ist der horizontale Abstand einer jeden Hubeinheit 18, 20, 22 mindestens doppelt so groß wie der maximale Hub der betreffenden Hubeinheit 18, 20 oder 22. Dies bedeutet, dass die Trageinheit 14 nur innerhalb eines geringen Winkelbereichs relativ zu der Grundeinheit 12 horizontal schwenkbar ist. Der maximale Hub einer jeden Hubeinheit 18, 20, 22 kann beispielsweise zwischen einem Millimeter und einem Zentimeter betragen. Die gegenseitigen Abstände der Hubeinheiten 18, 20, 22 können beispielweise zwischen zwanzig Zentimeter und zwei Meter betragen.
In dem gezeigten Beispiel sind die Hubeinheiten 18, 20 22 relativ zu der Grundeinheit 12 horizontal verschiebbar. Diese erlaubt es, die Hubeinheiten 18, 20, 22 gemeinsam mit der Trageinheit 14 horizontal relativ zu der Grundeinheit 12 zu verschieben. Die Hubeinheiten 18, 20, 22 weisen jeweils eine der Trageinheit 14 zugewandte Stützfläche 24, 26, 28 auf. In dem gezeigten Beispiel sind diese Flächen jeweils eine Oberfläche einer Stirnplatte eines Hohlzylinders der jeweiligen Hubeinheit 18, 20 oder 22. Die Hubeinheiten 18, 20, 22 können in ihrer jeweiligen der Trageinheit 14 zugewandten Fläche 24, 26, 28 mit der Trageinheit 14 fest verbunden sein, zum Beispiel über geeignete Fixiereinrichtungen, zum Beispiel Schrauben oder Stifte. Dies kann insbesondere vorteilhaft sein, wenn die Trageinheit schräg relativ zur Erde aufgestellt oder montiert werden soll, das heißt, wenn die genannte Horizontalebene der Grundeinheit 12 (in 1 bis 13 die xy-Ebene) nicht waagrecht ist, das heißt nicht senkrecht zum Schwerefeld der Erde orientiert ist.
Alternativ kann vorgesehen sein, dass die Hubeinheiten 18, 20, 22 nicht an der Trageinheit 14 fixiert sind. Ihre der Trageinheit 14 zugewandten Flächen 24, 26, 28 können Auflageflächen zum Tragen der Trageinheit 14 bilden. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Grundeinheit 12 waagrecht bezüglich der Erde aufgestellt oder montiert wird, so dass ihre Horizontalebene (die xy-Ebene in den Zeichnungen) parallel zu der Erdoberfläche oder, in anderen Worten, senkrecht zur Schwerkraft orientiert ist. Eine derartige Aufstellung ist besonders vorteilhaft, da sie es erlaubt, die Gewichtskraft der Trageinheit 14 und etwaiger auf der Trageinheit 14 gelagerter Lasten über die Kolben der Hubeinheiten 18, 20, 22 abzuführen, wobei die Ein- und Ausfahrrichtung (Kolbenlängsrichtung oder Kolbenlängsachse) der Kolben dann parallel zu der abzuführenden Kraft ist. Die Tragkraft der Positioniervorrichtung 10 kann durch die beschriebene waagrechte Aufstellung maximiert werden.
Eine lose Lagerung der Trageinheit 14 auf den Hubeinheiten bietet den Vorteil, die Trageinheit 14 bei Bedarf möglichst unkompliziert von der Grundeinheit 12 entfernen zu können, zum Beispiel um sie gegen eine andere Trageinheit (nicht dargestellt) auszutauschen. Es können verschiedene Trageinheiten (nicht dargestellt) vorgesehen sein, die für unterschiedliche zu tragende Lasten eingerichtet sind. Die Trageinheit 14 weist eine Auflagefläche 30 auf. In dem gezeigten Beispiel ist die Auflagefläche 30 eben. Auf die Auflagefläche 30 ist das zu tragende Objekt (nicht gezeigt) auflegbar, oder es ist an ihr fixierbar. Die ebene Auflagefläche 30 eignet sich insbesondere zum Tragen flächiger Objekte, zum Beispiel Flachbildschirme, Halbleitersubstrate, Wafer, Printed Circuit Boards und Solarzellen.
Die insgesamt flache Gestaltung der Positioniervorrichtung 10 begünstigt ferner ihre Verwendung als Modul einer komplexeren Positioniervorrichtung, zum Beispiel als Aufbau oder als Träger eine Linearführungsvorrichtung, welche einen weiteren Translationsfreiheitsgrad (zum Beispiel in x-Richtung) zur Verfügung stellt.
A priori weist die Trageinheit 14 relativ zu der Grundeinheit 12 zwei horizontale translatorische Freiheitsgrade auf, nämlich Translationen in x-Richtung und in y-Richtung. In dem gezeigten Beispiel ist in die Positioniervorrichtung 10 eine Linearführungsvorrichtung integriert, welche die horizontalen translatorischen Freiheitsgrade auf einen einzigen einschränken. Die Linearführungseinrichtung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf 1 bis 3 erläutert.
Die Grundeinheit 12 weist eine Schiene 32 auf. Die Schiene 32 erstreckt sich horizontal in dem Zwischenraum 16 zwischen der Grundeinheit 12 und der Trageinheit 14. In dem gezeigten Beispiel verläuft die Schiene geradlinig, zum Beispiel in y-Richtung. Alternativ kann die Schiene 32 gekrümmt sein, zum Beispiel einen geschlossenen Kreis oder einen Kreisbogen bilden. Die Schiene 32 kann einstückig mit der Grundeinheit 12 ausgeführt sein. In dem gezeigten Beispiel ist die Schiene 32 als ein sich in y-Richtung erstreckender Steg mit rechteckigem, zum Beispiel quadratischem, Querschnitt ausgebildet. Die Schiene 32 weist zwei entgegengesetzte Seitenflächen 34 und 36 auf.
An den beiden Seitenflächen 34, 36 der Schiene 32 ist jeweils ein Schlitten 38 beziehungsweise 40 über ein Linearlager in Führungsrichtung der Schiene (hier die y-Richtung) verschiebbar gelagert. Die Linearlager können jeweils als Luftlager ausgebildet sein. In diesem Fall ist in einen Spalt zwischen der Schiene 32 und dem jeweiligen Schlitten 38 oder 40 Druckluft einleitbar, um in diesem Spalt ein Luftkissen zu bilden. Die Trageinheit 14 ist an den beiden Schlitten 38 und 40 jeweils über ein Kugelgelenk schwenkbar gelagert. Die beiden Kugelgelenke können auch als ein einziges Kugelgelenk aufgefasst werden, welches Schwenkungen der Trageinheit 14 relativ zu den beiden Schlitten 38, 40 erlaubt und Translationen der Trageinheit 14 relativ zu den Schlitten 38 und 40 blockiert. Die beiden Schlitten 38 und 40 können als ein einziger Schlitten, der an der Schiene 32 verschiebbar gelagert ist, aufgefasst werden.
Der Schlitten 38 und der Schlitten 40 weisen jeweils eine der Schiene zugewandte ebene Oberfläche sowie eine der Schiene abgewandte konvexe, zum Beispiel sphärisch konvexe Oberfläche auf. Die ebenen Seitenflächen 34 und 36 der Schiene definieren gemeinsam mit den ebenen Oberflächen des Schlittens 38 und des Schlittens 40 die genannten Linearlager, wobei die beiden Linearlager als ein einziges Linearlager aufgefasst werden können. Die beiden konvexen Oberflächen der Schlitten 38 und 40 sind jeweils einer konkaven Oberfläche eines Trägers 42 und eines Trägers 44 zugewandt. Die genannten konkaven und konvexen Oberflächen definieren gemeinsam das Kugelgelenk zwischen Schlitten und Trägern.
Das Kugelgelenk kann als Luftlager ausgebildet sein. In einen zwischen dem Schlitten 38 und dem Träger 42 ausgebildeten kugelschalenartigen Zwischenraum sowie in einen zwischen dem Schlitten 40 und dem Träger 44 ausgebildeten kugelschalenartigen Zwischenraum ist Druckluft einleitbar, um in dem jeweiligen Zwischenraum ein Luftkissen zu bilden. Die Träger 42 und 44 sind jeweils starr oder elastisch mit der Trageinheit 14 verbunden oder einstückig mit ihr ausgebildet.
Die Hubeinheiten 18, 20, 22 weisen jeweils einen Sockel 46, 48, 50 auf. Die Sockel 46, 48, 50 sind jeweils an oder auf der Grundeinheit 12 verschiebbar gelagert. Zwischen den Sockeln 46, 48, 50 und dem Grundkörper 12 ist jeweils ein Linearlager ausgebildet. Diese Linearlager können beispielsweise jeweils ein Luftlager sein. Die Trageinheit 14 ist somit entlang der Schiene 32 verschiebbar. Die Hubeinheiten 18, 20, 22 sowie die Schlitten 38, 40 und die Träger 42, 44 werden bei einer derartigen Verschiebung mit der Trageinheit 14 mitverschoben.
Alternativ kann vorgesehen sein, dass die Hubeinheiten 18, 20, 22 nicht mitverschoben werden, sondern ortsfest bezüglich der Grundeinheit 12 bleiben. Bei dieser Variante ist die Trageinheit 14 jedoch nur innerhalb eines relativ kleinen erlaubten Bereichs entlang der Schiene 32 verschiebbar, da sichergestellt sein muss, dass die Trageinheit 14 an oder auf jeder der Hubeinheiten 18, 20, 22 gelagert bleibt.
Die Hubeinheiten 18, 20, 22 in Verbindung mit dem Kugelgelenk zwischen der Trageinheit 14 und dem Schlitten 38, 40 erlauben es, die Trageinheit 14 relativ zu der Grundeinheit 12 innerhalb eines durch das Kugelgelenk bestimmten Winkelbereichs zu schwenken. In dem gezeigten Beispiel (1 bis 3) ist die Trageinheit 14 insbesondere um eine zu der x-Achse parallele Achse, eine zu der y-Achse parallele Achse und eine zu der z-Achse parallele Achse schwenkbar. Die Schwenkung um die zu der z-Achse parallele Achse sowie die Verschiebung in y-Richtung stellen zwei horizontale Freiheitsgrade dar. Die Schwenkung um die zu der x-Achse parallele Achse und die zu der y-Achse parallele Achse stellen zwei vertikale Freiheitsgrade der Trageinheit 14 dar.
Hinzu kommt noch ein weiterer vertikaler Freiheitsgrad, nämlich eine vertikale Verschiebung der Trageinheit 14 relativ zu der Grundeinheit 12, welche beispielsweise durch eine synchrone Ansteuerung der drei Hubeinheiten 18, 20, 22 bewirkt werden kann, also zum Beispiel durch synchrones Einfahren oder Ausfahren der Kolben der Hubeinheiten, wodurch die Trageinheit 14 entlang der z-Achse bewegt wird, ohne dass sich ihr Neigungswinkel relativ zu der Grundeinheit 12 ändert. In dem Zusammenhang sei bemerkt, dass das Linearlager zwischen dem Schlitten 38, 40 neben der Bewegung in Führungsrichtung der Schiene (y-Richtung) auch eine vertikale Verschiebung an der Schiene (in z-Richtung) zulässt. In anderen Worten, das Linearlager zwischen der Schiene 32 und dem Schlitten 38 sowie das Linearlager zwischen der Schienen 32 und dem Schlitten 40 ist jeweils ein zweidimensionales Linearlager.
Es ist ferner ein erster Linearmotor 52 und ein zweiter Linearmotor 54 vorgesehen, die jeweils imstande sind, auf die Trageinheit 14 eine Antriebskraft parallel zu der Führungsrichtung der Schiene (hier die y-Richtung) auszuüben. Man bemerkt, dass jeder einzelne der beiden Motoren 52 und 54 imstande ist, auf die Trageinheit 14 ein vertikales Drehmoment bezüglich des Kugelgelenks auszuüben. Das von dem ersten Motor 52 und das von dem zweiten Motor 54 ausgeübte Drehmoment addieren sich zu einem Gesamtdrehmoment. Insbesondere können sich die beiden Drehmomente zu Null addieren. Bei dem hier gezeigten symmetrischen Aufbau ist dies dann der Fall, wenn die von den beiden Motoren 52 und 54 jeweils erzeugten Kräfte gleichgroß und gleichgerichtet sind. Die beiden Motoren 52, 54 können synchron ansteuerbar sein, um das genannte resultierende vertikale Gesamtdrehmoment möglichst zu minimieren und möglichst eine reine Linearbewegung (hier in y-Richtung) zu erzielen. Die beiden Motoren können aber auch individuell und gegebenenfalls asynchron ansteuerbar sein, um ein vertikales Drehmoment zu erzeugen, welches einer detektierten Gierbewegung (Gieren) der Trageinheit 14 entgegenwirkt. Es kann eine Messvorrichtung vorgesehen sein, die das Gieren misst und ein entsprechendes Messsignal an eine elektronische Steuereinheit (nicht gezeigt) übermittelt. Die elektronische Steuereinheit kann dazu vorgesehen sein, das Messsignal auszuwerten und die beiden Motoren 52, 54 derart ansteuern, dass sie dem Gieren entgegenwirken. Alternativ oder zusätzlich kann eine gewünschte Drehung um die vertikale Achse erzeugt werden.
Die beiden Motoren 52, 54 weisen jeweils ein gewisses Spiel auf, um ein leichtes Verkippen der Trageinheit 14 relativ zu der Grundeinheit 12 zuzulassen.
In dem gezeigten Beispiel sind nur drei Hubeinheiten 18, 20, 22 vorgesehen. Es kann jedoch vorteilhaft sein, mehr als drei, zum Beispiel vier, fünf, sechs oder mehr als sechs Hubeinheiten vorzusehen. Die Gewichtskraft eines auf der Trageinheit lastenden Objektes kann auf die Weise gleichmäßiger auf die Hubeinheiten verteilt werden. Die Verwendung einer größeren Zahl von Hubeinheiten ermöglicht die Ausgestaltung der Trageinheit als relativ dünne, flexible Platte. Durch individuelle Ansteuerung der Hubeinheiten lassen sich dann nicht nur Keilfehler, sondern auch Formfehler höherer Ordnung des Objektes ausgleichen.
Die 4, 5 und 6 zeigen ein zweites Beispiel einer Positioniervorrichtung 10. Die Positioniervorrichtung 10 weist eine Grundeinheit 12 und eine an oder auf der Grundeinheit 12 gelagerte Trageinheit 14 auf. Ähnlich wie bei der mit Bezug auf 1 bis 3 beschriebenen Positioniervorrichtung sind zwischen der Grundeinheit 12 und der Trageinheit 14 mehrere Hubeinheiten angeordnet, die jeweils derart steuerbar sind, dass ein der betreffenden Hubeinheit zugeordneter vertikaler Abstand zwischen der Grundeinheit 12 und der Trageinheit 14 steuerbar ist. Dadurch ist eine horizontale Schwenkung der Trageinheit 14 relativ zu der Grundeinheit 12 steuerbar. Die Hubeinheiten sind in 4 durch die Trageinheit 14 verdeckt und nicht sichtbar. 5 zeigt lediglich die Grundeinheit 12. 6 zeigt lediglich die Trageinheit 14. Die Trageinheit 14 ist in 6 "auf dem Kopf stehend" dargestellt.
Die Grundeinheit 12 und die Trageinheit 14 sind (ähnlich wie bei der mit Bezug auf 1 bis 3 beschriebenen Positioniervorrichtung) als zwei im Wesentlichen parallel zueinander angeordnete horizontale Platten ausgebildet, die innerhalb eines beschränkten Winkelbereichs gegeneinander verkippbar sind. Die Trageinheit 14 weist drei in den Eckpunkten eines spitzwinkligen Dreiecks angeordnete Ausnehmungen 62, 64, 66 auf, in denen jeweils eine der genannten Hubeinheiten (in 4 verdeckt; in 6 nicht dargestellt) angeordnet ist. Innerhalb der Ausnehmungen 62, 64, 66 ist jeweils ein Linearlager vorgesehen, so dass die Trageinheit 14 relativ zu den Hubeinheiten und der Grundeinheit um eine körperfeste vertikale Achse 70 der Trageinheit 14 verschwenkbar ist.
Im Gegensatz zu der Positioniervorrichtung 10 in 1 bis 3 sind bei der Positioniervorrichtung 10 in 4, 5 und 6 alle horizontalen translatorischen Freiheitsgrade blockiert. Die Trageinheit 14 weist lediglich die folgenden Freiheitsgrade relativ zu der Grundeinheit 12 auf: vertikale Verschiebungen (Translationen in z-Richtung), Neigung der körperfesten Drehachse 70 ausgehend von einer vertikalen Achse 68 ("Theta Tilting"), Schwenkung der Trageinheit 14 und damit Schwenkung der körperfesten Drehachse 70 um die vertikale Achse 68 und Schwenkung der Trageinheit 14 um die körperfeste Drehachse 70. Die drei genannten Schwenkungen beschreiben die Orientierung der Trageinheit 14 relativ zu der Grundeinheit 12. Sie sind äquivalent zu drei Eulerwinkeln. Die Positioniervorrichtung 10 in 1 bis 3 weist zusätzlich einen horizontalen Freiheitsgrad auf, nämlich Translationen in y-Richtung.
Zur Blockierung der horizontalen Freiheitsgrade der Trageinheit 14 ist ein Kugelgelenk oder ein kardanisches Gelenk (nicht dargestellt) vorgesehen, über das die Trageinheit 14 an die Grundeinheit 12 gekoppelt ist. In dem gezeigten Beispiel ist das Kugelgelenk zwischen einer der Trageinheit 14 zugewandten Oberfläche 72 einer zentralen vertikalen Säule 74 ausgebildet. Das Kugelgelenk kann insbesondere ein sphärisches Luftlager sein. Die maximal erlaubten Kippwinkel θ können relativ klein sein. Zum Beispiel kann vorgesehen sein, dass der Kippwinkel θ auf Werte zwischen null Grad und drei Grad beschränkt ist. Bei derart kleinen erlaubten Kippwinkeln ist es möglich, zwischen den Hubeinheiten und der Trageinheit 14 jeweils ein Linearlager vorzusehen, das ausreichend Spiel aufweist, um ein Kippen der Trageinheit 14 ausgehend von der vertikalen Achse 68 um einen Winkel θ in dem genannten (kleinen) erlaubten Winkelbereich zu gestatten. Alternativ ist es zum Beispiel möglich, dass die Hubeinheiten jeweils mit einem Gelenk versehen sind (siehe 7 und die zugehörige Beschreibung). Das Gelenk kann zum Beispiel zwischen dem Linearlager einerseits und dem Kolben oder dem Hohlzylinder der Hubeinheit andererseits angeordnet sein.
Der erlaubte Winkelbereich für Schwenkungen der Trageinheit 14 um die körperfeste Drehachse 70 (körperfeste vertikale Achse) kann ebenfalls recht klein sein, zum Beispiel minus zwei Grad (erste Extremalstellung) bis plus zwei Grad (zweie Extremalstellung). In dem gezeigten Beispiel ist dieser Schwenkbereich durch vier Langlöcher 76 beschränkt, welche in der Trageinheit 14 vorgesehen sind. In jedem der Langlöcher 76 ist jeweils ein vertikaler Stift 78 angeordnet. Die Trageinheit 14 ist damit von einer ersten Anschlagstellung bis in eine zweite Anschlagstellung um die körperfeste Achse 70 schwenkbar.
Bei dieser Ausführungsform sind die Hubeinheiten vorzugsweise an der Grundeinheit 12 befestigt, so dass sie mit der Trageinheit 14 nicht mitbewegt werden.
Bei einer weiteren Ausführungsform (nicht dargestellt) sind Randbereiche, zum Beispiel Außenkanten, der Trageinheit 14 an der Grundeinheit 12 gelagert, zum Beispiel über sphärische Lager in Verbindung mit vertikalen Linearlagern. Hierdurch kann eine besonders hohe Steifigkeit erzielt werden. Die sphärischen Lager und vertikalen Linearlager können jeweils als Luftlager ausgebildet sein. Das zuvor beschriebene Kugelgelenk, welches die Trageinheit 14 an die zentrale Säule 74 der Grundeinheit 12 koppelt, kann entfallen. Zum Beispiel können entlang eines horizontal verlaufenden Außenumfangs der Trageinheit 14 mehrere, zum Beispiel drei oder vier, Gelenke und Linearlager vorgesehen sein. Diese Gelenke und Linearlager können Schwenkungen sowie eine Vertikalverschiebung der Trageinheit 14 relativ zu der Grundeinheit 12 erlauben und andere Bewegungen blockieren. Die Gelenke und Linearlager können jeweils ein oder mehrere Luftlager aufweisen.
Für das erste Beispiel (1 bis 3) und für das zweite Beispiel (4 bis 6) gilt gleichermaßen, dass die Rollen der Grundeinheit 12 und der Trageinheit 14 vertauscht sein können. Das heißt, die Trageinheit 14 kann als eine Grundeinheit und die Grundeinheit 12 kann als eine Trageinheit aufgefasst werden. Insbesondere ist es möglich, die Positioniervorrichtung 10 so aufzustellen oder zu montieren, dass die (nun als Trageinheit verwendete) Grundeinheit 12 auf der (nun als Grundeinheit verwendeten) Trageinheit 14 lastet.
Die Positioniervorrichtungen 10 gemäß dem ersten und dem zweiten Beispiel können jeweils zum Tragen großer Lasten ausgelegt sein, zum Beispiel für Lasten von bis zu 1000 kg, entsprechend einer Gewichtskraft von etwa 10000 Newton. Es versteht sich, dass die Hubeinheiten entsprechend belastbar sein müssen.
Die 7 und 8 zeigen ein Beispiel einer geeigneten Hubeinheit 18. Die weiteren zuvor genannten Hubeinheiten (insbesondere die Hubeinheiten 20 und 22) können baugleich zu der hier beschriebenen Hubeinheit 18 sein.
Die Hubeinheit 18 weist einen Hohlzylinder 84 sowie einen innerhalb des Hohlzylinders 84 gelagerten Kolben 86 auf (siehe 8). Der Kolben 86 ist in einer Hubrichtung (in 8 die Bildvertikale) ein- und ausfahrbar. Innerhalb des Hohlzylinders 84 ist eine Arbeitskammer 88 zur Aufnahme von Druckluft ausgebildet. Die Arbeitskammer 88 kontaktiert eine Wirkfläche 90 des Kolbens 86. Durch Steuerung des Drucks in der Arbeitskammer 88 ist eine auf den Kolben 86 wirkende Hubkraft steuerbar.
Zwischen einer äußeren Mantelfläche 92 des Kolbens 86 und einer inneren Mantelfläche 94 des Hohlzylinders 84 ist ein spaltartiger Zwischenraum 96 ausgebildet. Der Zwischenraum 96 weist einen Luftlagerbereich 98 und einen Dichtungsbereich 100 auf. Der Luftlagerbereich 98 ist von Druckluft durchströmbar, so dass zwischen dem Hohlzylinder 84 und dem Kolben 86 ein Luftkissen erzeugt wird. Im Betrieb der Hubeinheit 18 sorgt das Luftkissen dafür, dass der Kolben praktisch reibungsfrei ein- und ausfahrbar ist.
Der Dichtungsbereich 100 kommuniziert mit der Arbeitskammer 88. Das Vorsehen einer Dichtung in dem Dichtungsbereich 100 zum Verhindern eines schleichenden Druckluftverlustes aus der Arbeitskammer 88 über den Dichtungsbereich 100 würde einen unerwünschten Reibungseffekt zwischen dem Kolben 86 und dem Hohlzylinder 84 mit sich bringen. Auf eine derartige Dichtung wird daher verzichtet.
Zwischen dem Luftlagerbereich 98 und dem Dichtungsbereich 100 ist ein Abströmbereich 102 ausgebildet. Der Abströmbereich 102 ist über mindestens einen durch den Hohlzylinder hindurchführenden Kanal (nicht sichtbar) mit mindestens einem Luftauslass (nicht sichtbar) verbunden, so dass über den Abströmbereich 102 sowohl Druckluft aus dem Luftlagerbereich 98 als auch Leckluft aus dem Dichtungsbereich 100 abführbar sind. Der Abströmbereich 102 erstreckt sich entlang einer Umfanglinie der inneren Mantelfläche 94 des Hohlzylinders 84. Die Umfanglinie liegt dabei in einer zu der Hubrichtung senkrechten Ebene.
In dem gezeigten Beispiel wird der Abströmbereich durch eine Nut 104 der inneren Mantelfläche 94 des Hohlzylinders 84 definiert. Die Breite der Nut, hier also ihre Abmessung in Hubrichtung, ist deutlich größer als der Abstand zwischen der äußeren Mantelfläche 92 des Kolbens 86 und der inneren Mantelfläche 94 des Hohlzylinders 84. Ferner haben die genannten Kanäle, die den Abströmbereich 102 mit dem einen oder den mehreren Luftauslässen verbinden, einen derart großen Gesamtquerschnitt, dass die Druckluft aus dem Luftlagerbereich 98 und die Leckluft aus dem Dichtungsbereich 100 ohne nennenswerten Drosseleffekt dem Luftauslass zuführbar sind. Der Luftauslass oder die Luftauslässe können beispielsweise in eine Umgebung 106 der Hubeinheit 18 münden.
Über die Druckluft in der Arbeitskammer 88 und die Wirkfläche 90 des Kolbens 86 ist eine Hubkraft erzeugbar, die insbesondere dazu genutzt werden kann, einer auf den Kolben 86 wirkenden Gewichtskraft entgegenzuwirken, so dass die Hubkraft die Gewichtskraft kompensiert. Wie bereits erwähnt, kann dafür eine vergleichsweise große Hubkraft erforderlich sein. Die Hubkraft kann beispielsweise mehr als 1000 Newton betragen. Zur Feinsteuerung des Kolbens ist in der Hubeinheit 18 ein Tauchspulenmotor vorgesehen, der imstande ist, eine zusätzliche Hubkraft zu erzeugen. Der Tauchspulenmotor kann beispielsweise dazu genutzt werden, die auf den Kolben 86 wirkende Gewichtskraft exakter auszugleichen, als es auf ausschließlich pneumatischem Wege möglich wäre. Der Tauchspulenmotor kann ferner dazu verwendet werden, den Kolben mit hoher Präzision ein- oder auszufahren. Der entsprechende vertikale Abstand zwischen der Grundeinheit 12 und der Trageinheit 14 (vergleiche die Beschreibung zu 1 bis 6) ist auf die Weise präzise steuerbar. Zur Regelung des Tauchspulenmotors kann ein Signal eines in die Hubeinheit integrierten Messsystems verwendet werden.
Der Tauchspulenmotor weist einen oder mehrere Magnete 108 als Rückschluss auf. Die Magnete 108 können Permanentmagnete oder Paramagnete sein. In dem gezeigten Beispiel sind die Magnete 108 Eisenhülsen. Der eine oder die mehreren Magnete 108 sind über einen Magnetträger 110 mit dem Kolben 86 verbunden, so dass sie sich mit dem Kolben 86 mitbewegen, wenn der Kolben 86 eingefahren oder ausgefahren wird. Der Tauchspulenmotor weist ferner eine erste Spule 112 und eine zweite Spule 114 auf. Die Spulen 112 und 114 umlaufen jeweils die gemeinsame Längsachse des Kolbens 86 und des Hohlzylinders 84. Die Spulen 112 und 114 sind um einen Spulenträger 116 herumgewickelt und über den Spulenträger 116 mit dem Hohlzylinder 84 derart verbunden, dass sie ortsfest bezüglich des Hohlzylinders 84 bleiben, wenn der Kolben 86 eingefahren oder ausgefahren wird. Durch Anlegen einer elektrischen Spannung an die beiden Spulen 112 und 114 ist ein die Spulen 112, 114 durchfließender elektrischer Strom erzeugbar. Der elektrische Strom wechselwirkt mit dem von dem einen oder den mehreren Magneten 108 erzeugten Magnetfeld, wobei eine Lorentzkraft in Hubrichtung erzeugt wird.
Im Betrieb wird der Arbeitskammer 88 von einer Druckluftquelle aus (nicht dargestellt) Druckluft zugeführt. Von derselben oder einer anderen Druckluftquelle aus wird dem Luftlagerbereich 98 über einen Zuführkanal (nicht sichtbar) Druckluft zugeführt, so dass sich in dem Luftlagerbereich 98 das Luftkissen bildet. Die Druckluft aus dem Luftlagerbereich 98 wird über den Abströmbereich 102 und den einen oder die mehreren Kanäle, die von dem Abführbereich 102 nach außen führen, abgeführt. Gleichzeitig strömt Druckluft als Leckluft aus der Arbeitskammer 88 über den Dichtungsbereich 100 in den Abführbereich 102 und von dort aus gemeinsam mit der Druckluft aus dem Luftlagerbereich 98 in die Umgebung 106.
In dem gezeigten Beispiel weist die Hubeinheit 18 an einem Ende einen Stützkörper 119 auf. Eine Oberfläche 120 des Stützkörpers 119 bildet eine Stützfläche der Hubeinheit 18. Die Stützfläche 120 dient der Übertragung einer Hubkraft auf einen anderen Körper, zum Beispiel auf die Grundeinheit 12 oder die Trageinheit 14.
In dem gezeigten Beispiel ist die Stützfläche 120 als Luftlagerfläche ausgeführt. In diesem Beispiel ist sie eben und horizontal, das heißt orthogonal zu der Hubrichtung. Im Betrieb wird Druckluft über eine Zuführleitung 122 und weiter über eine Längsbohrung 124 in eine zentrale Druckluftaustrittöffnung 126 geführt, von wo aus die Druckluft radial nach außen strömt, wodurch zwischen der Stützfläche 120 und zum Beispiel der Trageinheit 14 oder der Grundeinheit 12 (vergleiche 1 bis 6) ein Luftkissen gebildet wird. Seitlich der Stützfläche 120 können ein oder mehrere Magnete 128 angeordnet sein (siehe 7). Über diese Magnete 128 ist das an der Stützfläche 120 gebildete Luftlager magnetisch vorspannbar.
In dem gezeigten Beispiel ist der Stützkörper 119 über ein Gelenk 121 schwenkbar an den Kolben 86 gekoppelt. Das Gelenk 121 kann ein Kugelgelenk oder ein kardanisches Gelenk sein. Innerhalb des Gelenks 121 kann ein Luftkissen erzeugbar sein. Das Gelenk 121 ermöglicht es zum Beispiel, Ausrichtungsfehler auszugleichen sowie eine Neigung der Trageinheit 14 relativ zu der Grundeinheit 12 zuzulassen.
Die Hubeinheit 18 weist ferner eine Messeinrichtung 118 zum Messen der Position des Kolbens 86 relativ zu dem Hohlzylinder 84 auf. Die Messeinrichtung ist imstande, ein Messsignal zu erzeugen, welches die Länge angibt, um die der Kolben 86 ausgefahren ist. Die Messeinrichtung 118 kann zum Beispiel zwei sich jeweils in Hubrichtung erstreckende Strichteilungen aufweisen, wobei eine erste der beiden Strichteilungen an dem Hohlzylinder 84 und eine zweite der beiden Strichteilungen an dem Kolben 86 befestigt ist.
Die Hubeinheit 18 kann zum Beispiel wie folgt gesteuert werden. Zunächst wird durch Anlegen eines geeigneten Drucks an die Arbeitskammer 88 eine Grobpositionierung des Kolbens 86 vorgenommen. Zur Kompensation einer Grundlast kann ein genauer Druck eingestellt werden, zum Beispiel durch Messen des Drucks in der Arbeitskammer 88 mit Hilfe eines Manometers. Danach oder gleichzeitig wird die Antriebseinrichtung in Abhängigkeit von dem die Ausfahrlänge anzeigenden Messsignal der Messeinrichtung angesteuert, um eine Abweichung der Ist-Ausfahrlänge von einer Soll-Ausfahrlänge zu minimieren. In dem gezeigten Beispiel wird die eine an den Tauchspulenmotor angelegte elektrische Spannung oder ein durch den Tauchspulenmotor fließender Strom gesteuert, um die Abweichung von der Soll-Länge zu minimieren.
Darüber hinaus kann vorgesehen sein, dass der Druck in der Arbeitskammer 88 pneumatisch in Abhängigkeit von dem durch den Motor fließenden elektrischen Strom derart gesteuert wird, dass dieser Strom minimiert wird.
Die in 4, 5 und 6 gezeigte Positioniervorrichtung 10 ist ferner mit einer Messvorrichtung 130 zum Messen von Schwenkungen der Trageinheit 14 relativ zu der Grundeinheit 12 ausgestattet. Die Messvorrichtung 130 wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die 4 sowie 9 bis 13 näher erläutert.
Die Messvorrichtung 130 ist imstande, Schwenkungen der Trageinheit 14 relativ zu der Grundeinheit 12 um die bezüglich der Trageinheit feste vertikale Drehachse 70 zu messen. Wie bereits erläutert wurde, weist die körperfeste Drehachse 70 zwei Freiheitsgrade bezüglich der Grundeinheit 12 auf, nämlich den Kippwinkel (Polarwinkel) θ sowie einen (in den Zeichnungen nicht dargestellten) Horizontalwinkel φ. Die Orientierung der Trageinheit 14 relativ zu der Grundeinheit 12 lässt sich eindeutig durch die Angabe der Richtung der körperfesten Drehachse 70 (zum Beispiel durch Angabe der genannten Winkel θ und φ) sowie eines weiteren Winkels ψ (nicht dargestellt) beschreiben, wobei der weitere Winkel ψ eine Schwenkung der Trageinheit 14 relativ zu der Grundeinheit 12 um die körperfeste Drehachse 70 beschreibt.
Alternativ lässt sich die Orientierung der Trageinheit 14 relativ zu der Grundeinheit 12 durch die Angabe eines Winkels θ_X und eines Winkels θ_Y beschreiben, wobei θ_X eine Schwenkung um eine raumfeste x-Achse und θ_Y eine Schwenkung um eine raumfeste y-Achse misst. Zu beachten ist, dass die Schwenkung um die x-Achse und die Schwenkung um die y-Achse nicht kommutieren und daher zusätzlich angegeben werden muss, in welcher Reihenfolge die beiden Schwenkungen ausgeführt werden. Nur für sehr kleine Schwenkwinkel ist die Reihenfolge ohne Belang.
Die Messvorrichtung 130 weist einen Messschlitten 132 auf. Der Messschlitten 132 ist derart an der Grundeinheit 12 und an der Trageinheit 14 gelagert, dass er bezüglich der Grundeinheit 12 fest beleibt, wenn die Trageinheit 14 relativ zu der Grundeinheit 12 um die körperfeste vertikale Drehachse 70 geschwenkt wird, er sich jedoch mit der Trageinheit 14 mitbewegt, wenn die Trageinheit 14 relativ zu der Grundeinheit 12 um eine relativ zu der Trageinheit 14 feste horizontale Drehachse geschwenkt wird. Der Messschlitten 132 folgt somit allen Bewegungen der Trageinheit 14 mit Ausnahme von Schwenkungen um die körperfeste Drehachse 70. Der sich daraus ergebende Positionsunterschied zwischen der Trageinheit 14 und dem Messschlitten 132 kann zur Erzeugung eines Messsignals genutzt werden, welches der Größe der Verschwenkung der Trageinheit 14 um die körperfeste Achse 70 entspricht. Alternativ oder zusätzlich zur Messung des Schwenkwinkels bezüglich der körperfesten Drehachse 70 kann der Messschlitten 132 so eingerichtet sein, dass er eine zeitliche Änderungsrate dieses Schwenkwinkels, also eine Winkelgeschwindigkeit der Trageinheit 14 bezüglich der körperfesten Drehachse 70, misst.
In dem gezeigten Beispiel ist zwischen dem Messschlitten 132 und der Trageinheit 14 ein horizontales Linearlager 134 ausgebildet (siehe 9e). Das horizontale Linearlager 134 schränkt die Bewegung des Messschlittens relativ zu der Trageinheit 14 auf Verschiebungen (Translationen) in einer Tangentialrichtung der körperfesten Drehachse 70 ein. Das horizontale Linearlager 134 kann als magnetisch vorgespanntes Luftlager ausgestaltet sein. In dem gezeigten Beispiel weist das horizontale Linearlager 134 zwei horizontale Luftlagerflächen 136 und zwei vertikale Luftlagerflächen 138 auf. Der Messschlitten 132 weist ferner einen oder mehrere erste Magnete 140 zum Erzeugen eines vertikalen Magnetfeldes sowie einen oder mehrere zweite Magnete 142 zum Erzeugen eines horizontalen Magnetfeldes auf. Jeweils eine horizontale Luftlagerfläche 136 und eine vertikale Luftlagerfläche 138 sind in Form eines "L" angeordnet. Die ersten Magnete 140 und die zweiten Magnete 142 sind ebenfalls in Form eines "L" angeordnet. Zwischen den Luftlagerflächen 136 und 138 einerseits und der Trageinheit 14 andererseits sind Luftkissen erzeugbar. Die Luftkissen ermöglichen es, den Messschlitten 132 praktisch reibungsfrei in der genannten körperfesten Tangentialrichtung relativ zu der Trageinheit 14 zu verschieben. Die ersten Magnete 140 und die zweiten Magnete 142 halten den Messschlitten 132 an der Trageinheit.
Der Messschlitten 132 ist an einer Schiene 133 der Trageinheit 14 gelagert (siehe 10). Die Schiene 133 erstreckt sich in diesem Beispiel entlang einer horizontalen Kante 144 der Trageinheit 14. Alternativ kann vorgesehen sein, dass die horizontale Kante 144 der Trageinheit 14 selbst als Schiene dient (vergleiche 9a und 9c). In beiden Fällen ist die Schiene 133 fest bezüglich der Trageinheit 14. Horizontal bedeutet hier "körperfesthorizontal", also senkrecht zu der körperfesten Drehachse 70. Im ungeschwenkten Zustand (θ = 0) ist die horizontale Kante außerdem horizontal bezüglich der relativ zu der Grundeinheit 12 festen vertikalen Achse 68. Die horizontalen Luftlagerflächen 136 und die ersten Magnete 140 sind dabei einer horizontalen Fläche der Schiene 133 zugewandt. Die vertikalen Luftlagerflächen 138 und die zweiten Magnete 142 sind einer vertikalen Fläche der Schiene 133 zugewandt.
In dem gezeigten Beispiel erstrecken sich die Schiene 133 sowie der zu der Schiene 133 komplementär, nämlich L-förmig, gestaltete Messschlitten 132 jeweils in der körperfesten Tangentialrichtung. Diese geradlinige Gestaltung ist technisch besonders einfach und zumindest dann anwendbar, wenn der Schwenkbereich der Trageinheit 14 um die körperfeste Drehachse 70 klein ist, zum Beispiel weniger als zehn Grad oder weniger als fünf Grad beträgt. Bei einer alternativen Ausgestaltung erstreckt sich der Messschlitten 132 entlang eines Kreisbogens bezüglich der körperfesten Drehachse 70.
Der Messschlitten 132 ist ferner über ein Kugelgelenk 146 an die Grundeinheit 12 gekoppelt (siehe insbesondere 4). Für jede Orientierung der körperfesten Drehachse 70 relativ zu der vertikalen Achse 68 bindet das Kugelgelenk 146 den Messschlitten 132 an die Grundeinheit 12 und verhindert dadurch, dass sich der Messschlitten 132 mit der Trageinheit 14 mitbewegt, wenn die Trageinheit 14 um die körperfeste Drehachse 70 geschwenkt wird. Das Kugelgelenk 146 ist auf einer horizontalen Drehachse angeordnet, nämlich auf einer horizontalen Achse durch die vertikale Achse 68. Auch das Kugelgelenk 146 kann als Luftlager ausgebildet sein.
In dem gezeigten Beispiel koppelt das Kugelgelenk 146 den Messschlitten 132 nicht unmittelbar an die Grundeinheit 12, sondern an einen Kopplungskörper 148, der seinerseits über ein zweidimensionales Linearlager 150 an der Grundeinheit 12 gelagert ist. Das Linearlager 150 trägt insbesondere dem vertikalen Translationsfreiheitsgrad der Trageinheit 14 relativ zu der Grundeinheit 12 Rechnung. Es sei daran erinnert, dass die Trageinheit 14 relativ zu der Grundeinheit 12 "höhenverstellbar" ist, nämlich durch synchrones Ein- oder Ausfahren der Hubeinheiten. Das Linearlager 150 erlaubt es dem Messschlitten 132 und dem Kopplungskörper 148, sich bei einer vertikalen Verschiebung der Trageinheit 14 relativ zu der Grundeinheit 12 vertikal mitzuverschieben. Der Kopplungskörper 148 folgt somit vertikalen Verschiebungen (das sind Translationen der Trageinheit 14 parallel zu der vertikalen Achse 68). Der Messschlitten 132 wiederum folgt dieser vertikalen Verschiebung des Kopplungskörpers 148 sowie allen Schwenkungen der Trageinheit 14 mit Ausnahme von Schwenkungen um die körperfeste vertikale Drehachse 70.
In dem gezeigten Beispiel ist das Linearlager 150 als magnetisch vorgespanntes Luftlager ausgestaltet. Zwischen dem Kopplungskörper 148 und einem Befestigungskörper 154 ist ein Luftkissen erzeugbar. Der Befestigungskörper 154 ist an der Grundeinheit 12 befestigt. Der Befestigungskörper 154 ist hier als eine starr mit der Grundeinheit 12 verbundene vertikale Säule ausgebildet.
Es ist ferner ein Mechanismus vorgesehen, der in Abhängigkeit von der beschriebenen Tangentialverschiebung des Messschlittens 132 relativ zu der Trageinheit 14 ein Messsignal erzeugt, das der Größe dieser Verschiebung entspricht. In dem gezeigten Beispiel weist der Messschlitten 132 einen ersten Maßstab auf. Die Trageinheit 14 weist einen zweiten Maßstab auf. Die beiden Maßstäbe weisen jeweils eine Strichteilung auf. Innerhalb eines Überlappungsbereiches überlappen der erste und der zweite Maßstab einander. Durch Verschieben der Trageinheit 14 relativ zu dem Messschlitten 132 verschieben sich der erste und der zweite Maßstab entsprechend gegeneinander. Dadurch ändert sich die Intensität von Licht, das von den beiden Strichteilungen reflektiert oder transmittiert wird. Auf der Schiene 133 (oder alternativ auf dem Messschlitten 132) ist ein Messkopf 135, zum Beispiel mit einer Fotodiode, vorgesehen, der das reflektierte oder transmittierte Licht empfängt und in Abhängigkeit von der Lichtintensität ein elektrisches Messsignal erzeugt. Das elektrische Messsignal erlaubt es somit, auf die Größe der Verschwenkung der Trageinheit 14 relativ zu der Grundeinheit 12 um die körperfeste vertikale Drehachse 70 rückzuschließen. Das Messsignal kann insbesondere als Feedback-Signal zum Steuern einer Schwenkbewegung der Trageinheit 14 um die körperfeste vertikale Drehachse 70 verwendet werden. Zum Beispiel kann eine elektronische Steuereinheit vorgesehen sein, die das Messsignal auswertet und die Motoren 80, 82 geeignet ansteuert. Alternativ können zum Beispiel magnetische Strichteilungen zum Einsatz kommen.
Die Messvorrichtung 130 in 4 sowie 9 bis 13 ist in leicht abgeänderter Form auf die Positioniervorrichtung 10 in 1, 2 und 3 anwendbar, um Schwenkungen der Trageinheit 14 relativ zu der Grundeinheit 12 um die körperfeste Drehachse 70 zu messen. Zu diesem Zweck kann zwischen dem Befestigungskörper 154 und der Grundplatte 12 ein horizontales Luftlager (nicht dargestellt) angeordnet sein, um zu erlauben, dass sich der Messschlitten 132, der Kopplungskörper 148 sowie der Befestigungskörper 154 mit der Trageinheit 14 mitbewegen, wenn diese relativ zu der Grundeinheit 12 horizontal verschoben wird. Insbesondere kann eine weitere Schiene (nicht dargestellt) vorgesehen sein, die sich parallel zu der Schiene 32 (siehe 1 bis 3) erstreckt und dazu dient, den Befestigungskörper 154 parallel zu der Schiene 32 zu führen, wenn die Trageinheit 14 entlang der Schiene verschoben wird.
Das Kugelgelenk 146 weist eine sphärisch konvexe Oberfläche 149 auf (siehe 11). Diese Oberfläche 149 grenzt an eine zu ihr komplementäre sphärisch konkave Oberfläche 151 des Messschlittens 132 an (siehe 8c und 8e). Zwischen den beiden zueinander komplementären Oberflächen 149 und 151 kann ein Luftkissen erzeugbar sein. Das Kugelgelenk 146 weist ferner vier Magnete 147 auf, die das sphärische Lager vorspannen. Das Kugelgelenk 146 weist außerdem vier Stifte zur Verdrehsicherung auf (nicht sichtbar), die den Schwenkbereich des Kugelgelenks 146 einschränken.
Die in 14 bis 16 gezeigte Positioniervorrichtung 10 enthält insbesondere die in 1 bis 3 gezeigte Anordnung mit einer Grundeinheit 12 und einer an dieser gekoppelten Trageinheit 14. In dem gezeigten Beispiel ist die Grundeinheit 12 in x-Richtung verschiebbar auf einer Sockeleinheit 160 gelagert. Die Sockeleinheit 160 wird durch einen im Wesentlichen quaderförmigen Block oder Sockel 172 gebildet, der zum Beispiel aus Granit oder einem anderen widerstandsfähigen Material hergestellt sein kann. Die Sockeleinheit 160 weist eine sich in x-Richtung erstreckende Schiene 162 auf. Die Schiene 162 dient der Führung der Grundeinheit 12 in x-Richtung. Die Grundeinheit 12 ist an Seitenflächen der Schiene 162 über ein oder mehrere Luftlager 166 gelagert. Die Grundeinheit 12 ist ferner über ein oder mehrere horizontale Luftlager 164 auf dem Sockel 172 gelagert. Die Sockeleinheit 160 weist ferner einen ersten Linearmotor 168 und einen zweiten Linearmotor 170 auf, über die die Grundeinheit 12 in x-Richtung antreibbar ist. Die Motoren 168, 170, die Schiene 162 sowie die Art der Lagerung der Grundeinheit 12 an und auf der Sockeleinheit 160 ist analog zu den Motoren 52, 54, der Schiene 32 sowie der Art der Lagerung der Trageinheit 14 an und auf der Grundeinheit 12. Die mit Bezug auf 1 bis 3 beschriebenen Merkmale lassen sich insofern von der Grundeinheit 12 und der Trageinheit 14 auf die Sockeleinheit 160 und die Grundeinheit 12 übertragen.
In 15 ist die Trageinheit 14 weggelassen, um die Hubeinheiten 18, 20, 22 zu zeigen.
Die Positioniervorrichtung 10 ist ferner mit einer Messvorrichtung 130 sowie einer baugleichen Messvorrichtung 130' versehen (siehe 16). Die beiden Messvorrichtungen 130 und 130' sind im Wesentlichen wie die unter Bezug auf 4 sowie 9 bis 13 erläuterte Messvorrichtung 130 aufgebaut. Der Messschlitten 132 ist dementsprechend über ein eindimensionales Linearlager an der Trageinheit 14 gelagert. Über ein Kugelgelenk 146 sowie ein zweidimensionales Linearlager ist der Messschlitten 132 an die Grundeinheit 12 gekoppelt. Das zweidimensionale Linearlager ist zwischen dem Kugelgelenk 146 und der Säule 154 ausgebildet. Der Messschlitten 132 folgt Schwenkungen der Trageinheit 14 relativ zu der Grundeinheit 12. Wird die Trageinheit 14 hingegen in Führungsrichtung der Schiene 32 (hier die y-Richtung) verschoben, so folgt der Messschlitten 132 dieser Translationsbewegung nicht, da er über das Kugelgelenk 146 und die Säule 154 im Hinblick auf diesen Freiheitsgrad an der Grundeinheit 12 befestigt ist. Die resultierende Verschiebung zwischen der Trageinheit 14 und dem Messschlitten 132 wird genutzt, um ein Messsignal zu erzeugen.
Die beiden Messvorrichtungen 130 und 130' sind an unterschiedlichen Stellen der Trageinheit 14 angeordnet. Jede der beiden Messvorrichtungen 130 und 130' misst jeweils eine lokale Verschiebung der Trageinheit 14 relativ zu der Grundeinheit 12. Die beiden Messsignale werden an eine elektronische Auswertevorrichtung übermittelt. Die Auswertevorrichtung (nicht gezeigt) ermittelt aus den beiden Signalen eine Verschiebung der Trageinheit 14 als Ganzes (zum Beispiel die Verschiebung in y-Richtung des Schwerpunkts der Trageinheit 14) sowie den Winkel einer Verschwenkung der Trageinheit 14 um eine vertikale Achse (hier die z-Achse). In dem hier gezeigten Beispiel sind die größtmöglichen Verschwenkungen derart gering, dass in diesem Zusammenhang nicht zwischen einer Schwenkung um eine an der Grundeinheit 12 festgemachten z-Achse und einer an der Trageinheit 14 festgemachten z-Achse unterschieden werden muss.
Die Sockeleinheit 160, die Grundeinheit 12, und die Trageinheit 14 bilden zusammen einen Kreuztisch. Im Vergleich zu einem einfachen Kreuztisch bietet die gezeigte Positioniervorrichtung 10 die zusätzlichen Freiheitsgrade: drei mit den Hubeinheiten 18, 20, 22 assoziierte Freiheitsgrade (zwei Schwenkungen sowie eine Translation in z-Richtung) sowie ein mit den beiden Motoren 52, 54 assoziierter Rotationsfreiheitsgrad (geringfügige Schwenkung der Trageinheit 14 um die körperfeste vertikale Drehachse 70).
Die in der vorstehenden Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung wesentlich sein.
Bezugszeichenliste

10: Positioniervorrichtung
12: Grundeinheit
14: Trageinheit
16: Zwischenraum
18: Hubeinheit
20: Hubeinheit
22: Hubeinheit
24: Stützfläche
26: Stützfläche
28: Stützfläche
30: Auflagefläche
32: Schiene
34: Seitenfläche
36: Seitenfläche
38: Schlitten
40: Schlitten
42: Träger
44: Träger
46: Sockel
48: Sockel
50: Sockel
52: Linearmotor
54: Linearmotor
62: Ausnehmung
64: Ausnehmung
66: Ausnehmung
68: vertikale Achse
70: körperfeste Drehachse
72: Oberfläche
74: Säule
76: Langloch
78: Stift
80: Motor
82: Motor
84: Hohlzylinder
86: Kolben
88: Arbeitskammer
90: Wirkfläche
92: Mantelfläche
94: Mantelfläche
96: Zwischenraum
98: Luftlagerbereich
100: Dichtungsbereich
102: Abströmbereich
104: Nut
106: Umgebung
108: Magnet
110: Träger
112: Spule
114: Spule
116: Spulenträger
118: Messeinrichtung
119: Stützkörper
120: Stützfläche
121: Gelenk
122: Zuführleitung
124: Längsbohrung
126: Druckluftaustrittöffnung
128: Magnet
130: Messvorrichtung
132: Messschlitten
133: Schiene
134: Linearlager
135: Messkopf
136: Luftlagerflächen
138: Luftlagerflächen
140: Magnet
142: Magnet
144: Kante
146: Kugelgelenk
148: Befestigungskörper
149: Oberfläche
150: Linearlager
151: Oberfläche
154: Befestigungskörper
160: Sockeleinheit
162: Schiene
164: Luftlager
166: Luftlager
168: Motor
170: Motor
172: Sockel

Claims

Hubeinheit (18), die aufweist: – einen Hohlzylinder (84), – einen innerhalb des Hohlzylinders (84) gelagerten Kolben (86), der in einer Hubrichtung ein- und ausfahrbar ist, – eine innerhalb des Hohlzylinders (84) ausgebildete Arbeitskammer (88) zur Aufnahme von Druckluft, wobei die Arbeitskammer (88) eine Wirkfläche (90) des Kolbens (86) kontaktiert, so dass mittels der Druckluft eine auf den Kolben (86) wirkende Hubkraft steuerbar ist, und – einen zwischen einer äußeren Mantelfläche (92) des Kolbens (86) und einer inneren Mantelfläche (94) des Hohlzylinders (84) ausgebildeten Zwischenraum (96), dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischenraum (96) aufweist: – einen Luftlagerbereich (98), der von Druckluft durchströmbar ist, so dass zwischen dem Hohlzylinder (84) und dem Kolben (86) ein Luftkissen erzeugt wird.
Hubeinheit (18) nach Anspruch 1, wobei der Zwischenraum (96) weiter aufweist: – einen Dichtungsbereich (100), der mit der Arbeitskammer (88) kommuniziert, und – mindestens einen zwischen dem Luftlagerbereich (98) und dem Dichtungsbereich (100) ausgebildeten Abströmbereich (102), der über mindestens einen durch den Hohlzylinder (84) hindurchführenden Kanal mit mindestens einem Luftauslass verbunden ist, so dass über den Abströmbereich (102) sowohl Druckluft aus dem Luftlagerbereich (98) als auch Leckluft aus dem Dichtungsbereich (100) abführbar sind.
Hubeinheit (18) nach Anspruch 2, wobei sich der mindestens eine Abströmbereich (102) entlang einer Umfanglinie der inneren Mantelfläche (94) des Hohlzylinders (84) erstreckt.
Hubeinheit (18) nach Anspruch 2 oder 3, wobei die innere Mantelfläche (94) des Hohlzylinders (84) an dem mindestens einen Abströmbereich (102) eine Nut (104) aufweist.
Hubeinheit (18) nach Anspruch 4, wobei die Nut (104) eine Breite aufweist, die größer ist als ein minimaler Abstand zwischen der äußeren Mantelfläche (92) des Kolbens (86) und der inneren Mantelfläche (94) des Hohlzylinders (84).
Hubeinheit (18) nach einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei der mindestens eine Kanal und der mindestens eine Luftauslass derart große Querschnitte aufweisen, dass sie gemeinsam eine Drosselwirkung haben, die im Vergleich zu einer Drosselwirkung des Luftlagerbereichs (98) und im Vergleich zu einer Drosselwirkung des Dichtungsbereichs (100) vernachlässigbar gering ist.
Hubeinheit (18) nach einem der vorangehenden Ansprüche, mit einer Antriebseinrichtung zum Erzeugen einer zusätzlichen Hubkraft.
Hubeinheit (18) nach Anspruch 7, wobei die Antriebseinrichtung mindestens einen Elektromotor (108, 112; 114) aufweist.
Hubeinheit (18) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei auf einer Stirnseite der Hubeinheit (18) eine Luftlagerfläche (120) ausgebildet ist.
Hubeinheit (18) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Luftlagerfläche (120) relativ zu dem Hohlzylinder (84) oder relativ zu dem Kolben (86) um mindestens eine zu der Hubrichtung orthogonale Achse schwenkbar ist.
Positioniervorrichtung (10), mit einer Grundeinheit (12) und einer Trageinheit (14) zum Tragen eines zu positionierenden Objektes, wobei die Trageinheit (14) auf oder an der Grundeinheit (12) gelagert und relativ zu der Grundeinheit (12) horizontal bewegbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Grundeinheit (12) und der Trageinheit (14) eine oder mehrere Hubeinheiten (18, 20, 22) nach einem der Ansprüche 1 bis 10 angeordnet sind, wobei jede (18; 20; 22) der Hubeinheiten derart steuerbar ist, dass ein der betreffenden Hubeinheit (18; 20; 22) zugeordneter vertikaler Abstand zwischen der Grundeinheit (12) und der Trageinheit (14) steuerbar ist, so dass damit eine Schwenkung der Trageinheit (14) um eine horizontale Achse relativ zu der Grundeinheit (12) steuerbar ist.