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Die Erfindung betrifft einen Positionierantrieb mit einem offenen Zugmittelgetriebe zur genauen Positionierung eines Bauteils, wie er gattungsgemäß aus der
DE 10 2005 062 229 A1 bekannt ist.
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Zugmittelgetriebe übertragen Kräfte und Bewegungen von einer antreibenden Komponente auf eine angetriebene Komponente mittelbar über ein Zugmittel, wodurch die antreibende Komponente und die angetriebene Komponente voneinander entfernt angeordnet sein können, was für viele technische Problemstellungen von Vorteil ist. Sie lassen sich in geschlossene und offene Zugmittelgetriebe unterteilen.
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Geschlossene Zugmittelgetriebe bestehen grundsätzlich aus einer Antriebs- und einer Abtriebswelle, die von einem Zugmittel umschlossen werden, mittels dem ein auf die Antriebswelle wirkendes Drehmoment auf die Abtriebswelle übertragen wird. Die Übertragung erfolgt dabei über den freien Teil des Zugmittels, welcher unter Wirkung des Drehmomentes gespannt wird. Dieser Teil wird als Lasttrum bezeichnet. Der nicht gezogene, quasi mitgenommene freie Teil des Zugmittels wird als Leertrum bezeichnet und ist dadurch nicht oder zumindest weniger gespannt. Die in dem Zugmittel verursachte mechanische Spannung ist somit an jedem Ort des Zugmittels eine andere. Durch die unterschiedlichen mechanischen Spannungen entsteht bei der Übertragung der Drehbewegung der Antriebswelle auf die Abtriebswelle ein Dehnschlupf, weshalb kraftschlüssige geschlossene Zugmittelgetriebe nicht schlupffrei sind und für hochgenaue Positionieraufgaben in der Regel nicht verwendet werden.
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In der
WO 89/01846 A1 ist eine Antriebseinrichtung zur Erzeugung einer planetären Bewegung offenbart. In einer Schleifmaschine werden mittels zweier geschlossener Zugmittelgetriebe zwei Exzentergetriebe angetrieben, wobei einem der Zugmittelgetriebe eine Verstelleinrichtung zugeordnet ist. Die Verstelleinrichtung wirkt mit Umlenkrollen auf das Zugmittel ein, sodass dessen Lage geändert werden kann. Durch die Lageänderung wird die Exzentrizität der Exzentergetriebe verändert. Eine hochgenaue Positionierung oder ein Schlupfausgleich ist hier nicht vorgesehen. Die Offenlegungsschrift
DE 2611921 A1 offenbart eine Vorrichtung zum Positionieren eines Arbeitsteils. Das Arbeitsteil wird mit einem geschlossenen und schlupffreien Zugmittelgetriebe mit Umlenkrollen und einem Schrittmotor bewegt. Die Bewegung erfolgt entlang einer Geraden oder eines Kreisbogens, wobei das Arbeitsteil zu einer Ausgangsstellung justiert werden muss. Die grobe Justage erfolgt zunächst durch eine zur Ausgangsstellung positionierte Montage des Arbeitsteils auf dem Zugmittel oder einem durch das Zugmittel angetriebenen kreisförmigen Träger. Für die Feinjustage ist ein verschiebbarer Träger mit zwei Umlenkrollen vorgesehen, von denen jeweils eine auf das Last- und eine auf das Leertrum des Zugmittels einwirkt. Beim Bewegen des verschiebbaren Trägers parallel zur Geraden oder tangential zum Kreisbogen bei gleichzeitig feststehendem Schrittmotor, wird das Arbeitsteil gegenüber der Ausgangsstellung bewegt, indem jeweils eine Umlenkrolle das Lasttrum verlängert und das Leertrum verkürzt oder umgekehrt. Eine hochgenaue Positionierung des Arbeitsteils oder ein Schlupfausgleich des Zugmittels währen des Betriebs der Vorrichtung ist hier nicht vorgesehen.
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Aus der
DE 35 14 431 A1 ist ein Antriebsmechanismus für einen Mikroskoptisch bekannt, der eine genaue Positionierung eines Objektes über zwei geschlossene Zugmittelgetriebe gewährleisten soll. Die Zugmittel werden dabei durch zwischengeschaltete Federn oder durch eine bewegliche Spannrolle (dort Umlenkrolle) unter Spannung gehalten. Durch den wechselnden Richtungssinn der eingeleiteten Drehbewegung in die beiden koaxialen Antriebsrollen übernehmen die angrenzenden freien Teile des Zugmittels im Wechsel die Funktion des Last- und des Leertrumes. Dem Fachmann erschließt sich, dass durch die Vorspannung des Zugmittels über die Federn bzw. die Spannrolle die Differenz zwischen den mechanischen Spannungen im Lasttrum und im Leertrum reduziert und somit der Dehnungsschlupf minimiert wird. Es wird vorgeschlagen, durch die Variation der Durchmesser der Antriebsrollen die Feinfühligkeit der Bewegung der beiden Schlitten des Mikrokoptisches zu beeinflussen. Ebenfalls soll es möglich sein, zwei Enden des jeweils einem Schlitten zugeordneten Zugmittels an dem betreffenden Schlitten zu befestigen und über am betreffenden Schlitten befestigte zusätzliche Umlenkrollen nach dem Flaschenzugprinzip eine Erhöhung der Feinfühligkeit zu erzielen. Dass mit dem hier offenbarten Antriebsmechanismus eine Positioniergenauigkeit erreicht wird, wie sie z. B. zur Positionierung von Bauteilen in einem optischen System im µm-Bereich erforderlich ist, ist aufgrund des nicht zu vermeidenden Schlupfes bei Ausführung als kraftschlüssiges Zugmittelgetriebe, wie in der vorgenannten
DE 35 14 431 A1 vorgeschlagen wird, bzw. aufgrund des Spiels bei Ausführung als formschlüssiges Zugmittelgetriebe nicht möglich. In der eingangs genannten
DE 10 2005 062 229 A1 ist eine Anordnung zur Verstellung von optischen Komponenten und/oder Linsengruppen in einem Varioabbildungssystem beschrieben, die im Sinne der Erfindung ein offenes Zugmittelgetriebe darstellt.
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Ein offenes Zugmittelgetriebe unterscheidet sich von einem geschlossenen Zugmittelgetriebe vor allem dadurch, dass das Zugmittel nicht in sich geschlossen ist, sondern einen Anfang und ein Ende aufweist, die nicht miteinander verbunden sind.
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Mit dem in der vorgenannten
DE 10 2005 062 229 A1 beschriebenen offenen Zugmittelgetriebe sollen zwei Komponenten zueinander verschoben werden, was z. B. bei einem Zoomobjektiv gefragt ist. Im Vergleich zu vorbekannten Anordnungen zur Verschiebung zweier optischer Komponenten zueinander soll es in der vorgenannten
DE 10 2005 062 229 A1 die Aufgabe sein, die Verschiebung der Komponenten voneinander abhängig und mit einem Übersetzungsverhältnis, welches wesentlich von 1:1 abweicht, zu realisieren.
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Prinzipiell wird diese Aufgabe gelöst, indem die Bewegung einer antreibenden Komponente, die mit der ersten der zwei optischen Komponenten verbunden ist, durch ein Zugmittel konstanter Länge direkt auf eine angetriebene Komponente, die mit der zweiten der zwei optischen Komponenten verbunden ist, übertragen wird, wobei durch geeignete Mittel der Verlauf des Zugmittels beeinflusst wird. Als Beispiel für ein solches Mittel ist ein Schwenkhebel genannt, entlang dem das Zugmittel verläuft und der durch die Abtastung einer Kurvenscheibe ausgelenkt wird. Die Bewegung der angetriebenen Komponente ergibt sich somit aus einer Überlagerung der Bewegung der antreibenden Komponente und der Abtastbewegung der Kurvenscheibe. Dabei wird die Abtastbewegung der Kurvenscheibe über die antreibende Komponente verursacht, sodass die angetriebene Komponente einem Bewegungsablauf folgt, der sich nur aus der Bewegung der antreibenden Komponente ergibt. Zur Einleitung der Antriebsbewegung ist angegeben, dass ein Bedienelement vorhanden ist, mittels dem über ein Verstellgetriebe die angetriebene Komponente verstellt wird. Man kann unterstellen, dass für das Verstellgetriebe ein solches ausgewählt wird, welches eine ausreichend hohe Untersetzung hat, sodass eine in das Bedienelement eingeleitete manuelle Bewegung ausreichend feinfühlig übertragen wird.
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Die Genauigkeit der Positionierung bei einem offenen Zugmittelgetriebe gemäß der vorbenannten
DE 10 2005 062 229 A1 wird durch die Untersetzung des Verstellgetriebes und die Feinfühligkeit bestimmt, mit der das Bedienelement betätigt wird. Durch das Verstellgetriebe werden jedoch auch die Genauigkeit negativ beeinflussende Faktoren wie Spiel, Reibung und Trägheit mit eingebracht.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Positionierantrieb mit einem offenen Zugmittel und einem Schrittmotor zu finden, mit einer Positioniergenauigkeit, höher als sie durch die Schrittlänge des Schrittmotors gegeben ist, ohne dass hierfür ein Verstellgetriebe zur Untersetzung der Schrittlänge des Schrittmotors verwendet wird.
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Diese Aufgabe wird für einen Positionierantrieb mit einem offenen Zugmittelgetriebe, aufweisend eine antreibende Komponente, eine angetriebene Komponente und ein Zugband konstanter Länge mit einem Anfang, der mit der antreibenden Komponente fest verbunden ist, und einem Ende, das über eine der antreibenden Komponente entgegenwirkende Feder ortsfest gehalten ist, gelöst. Dabei stehen die angetriebene Komponente sowie ein den Verlauf des Zugbandes beeinflussendes Mittel mit dem Zugband in Verbindung. Die antreibende Komponente ist eine Abtriebsachse eines ersten Schrittmotors mit einem ersten Schrittwinkel oder einer ersten Schrittlänge. Zwischen der antreibenden Komponente und der angetriebenen Komponente sind zwei feste Führungsrollen in einem Abstand zueinander angeordnet. Zwischen den Führungsrollen ist das Zugband in einer x-Richtung geführt und steht mit dem den Verlauf des Zugbandes beeinflussenden Mittel in Verbindung. Dieses Mittel ist eine lineare Abtriebsachse eines zweiten Schrittmotors mit einer zweiten Schrittlänge, an welcher eine Rolle befestigt ist. Die lineare Abtriebsachse des zweiten Schrittmotors ist senkrecht zu dem Zugband in einer y-Richtung verstellbar, wobei das Zugband zwischen den Führungsrollen in y-Richtung ausgelenkt wird.
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Vorteilhaft ist die lineare Abtriebsachse des zweiten Schrittmotors in einem halben Abstand zu den zwei festen Führungsrollen angeordnet.
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Für eine hohe Positioniergenauigkeit ist es von Vorteil, wenn der Abstand mehr als ein Hundertfaches der zweiten Schrittlänge ist.
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Es ist auch von Vorteil, wenn die angetriebene Komponente ein Positionierschlitten einer Linearführung ist.
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Nachfolgend soll die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und Zeichnungen näher erläutert werden.
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Hierzu zeigen:
- 1a - 1c eine erste Ausführung eines Positionierantriebes mit einer Abtriebsachse eines Schrittmotors als antreibende Komponente und einem verschiebbaren Positionierschlitten einer Linearführung als angetriebene Komponente in verschiedenen Getriebestellungen,
- 2 eine zweite Ausführung eines Positionierantriebes mit einer Abtriebsachse eines Drehmotors als antreibende Komponente und einer drehbaren Positionierrolle als angetriebene Komponente und
- 3 eine dritte Ausführung eines Positionierantriebes mit einer Abtriebsachse eines Drehmotors als antreibende Komponente und einem verschiebbaren Positionierschlitten einer Linearführung als angetriebene Komponente.
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Ein erfindungsgemäßer Positionierantrieb mit einem offenen Zugmittelgetriebe weist grundsätzlich eine antreibende Komponente, eine angetriebene Komponente 3 und ein Zugband 4 konstanter Länge auf. Das Zugband 4 hat einen Anfang, der mit der antreibenden Komponente fest verbunden ist, und ein Ende, das über eine der antreibenden Komponente entgegenwirkende Feder 5 ortsfest gehalten ist. Die angetriebene Komponente 3 steht mit dem Zugband 4 so in Verbindung, dass eine in das Zugband 4 eingeleitete Bewegung auf die angetriebene Komponente 3 übertragen wird. Des Weiteren ist ein den Verlauf des Zugbandes 4 vor der angetriebenen Komponente 3 beeinflussendes Mittel vorhanden.
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Es ist erfindungswesentlich, dass zwischen der antreibenden Komponente und der angetriebenen Komponente 3 zwei feste Führungsrollen 6 in einem Abstand a zueinander angeordnet sind, zwischen denen das Zugband 4 in einer x-Richtung geführt ist, und das Zugband 4 zwischen den Führungsrollen 6 mit dem den Verlauf des Zugbandes 4 beeinflussenden Mittel in Verbindung steht, welches eine lineare Abtriebsachse 2.1 eines zweiten Schrittmotors 2 mit einer zweiten Schrittlänge s2 mit einer daran befestigten Rolle 7 ist. Die lineare Abtriebsachse 2.1 des zweiten Schrittmotors 2 ist senkrecht auf das Zugband 4 in einer y-Richtung verstellbar, womit das Zugband 4 zwischen den Führungsrollen 6 in y-Richtung ausgelenkt wird.
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Die Bewegung der angetriebenen Komponente 3 ist somit eine Überlagerung der Bewegung der antreibenden Komponente und der Verlaufsänderung des Zugbandes 4. Dabei sind die Bewegung der antreibenden Komponente und die Verlaufsänderung voneinander unabhängig.
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Die antreibende Komponente ist eine Abtriebsachse 1.1 eines ersten Schrittmotors 1 mit einem ersten Schrittwinkel α1 bzw. einer ersten Schrittlänge s1 . Die Genauigkeit der Positionierung einer angetriebenen Komponente 3 ist damit durch den ersten Schrittwinkel α1 bzw. die erste Schrittlänge s1 begrenzt, wenn das den Verlauf des Zugbandes 4 beeinflussende Mittel nicht mit dem Zugband 4 in Verbindung steht, sodass dieses zwischen den beiden Führungsrollen 6 in x-Richtung verläuft.
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Der Verschiebeweg I3 , den beispielsweise ein Positionierschlitten gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel als angetriebene Komponente 3 zurücklegt, ist dann gleich dem Verfahrweg I1 , bestimmt durch ein Vielfaches n der ersten Schrittlänge si, wenn die antreibende Komponente die Abtriebsachse 1.1 des ersten Schrittmotors 1 eines Linearantriebes ist. Siehe hierzu 1a-1b.
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Die Positioniergenauigkeit könnte in naheliegender Weise erhöht werden, indem kostenintensivere erste Schrittmotoren 1 mit kleineren ersten Schrittwinkeln α1 bzw. kürzeren ersten Schrittlängen s1 oder zusätzlichen untersetzenden Getrieben verwendet würden. Erfindungsgemäß wird stattdessen der Verlauf des Zugbandes 4 definiert verändert. Hierzu kann ebenfalls ein kostengünstiger zweiter Schrittmotor 2 mit einer verhältnismäßig großen zweiten Schrittlänge s2 verwendet werden.
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Indem die lineare Abtriebsachse 2.1 des zweiten Schrittmotors 2 auf das Zugband 4 zugestellt wird, wird dieses in y-Richtung ausgelenkt. Die Auslenkung in y-Richtung beträgt dabei ein Vielfaches m der zweiten Schrittlänge s2 und bewirkt einen Ausgleichsweg I2 , um den der Positionierschlitten zusätzlich verschoben wird. Der Ausgleichsweg I2 ergibt ist abhängig vom Abstand a, wobei I2 = a - 2 x Wurzel aus a2/4 +m × s2 2. Der Ausgleichsweg I2 hat stets einen negativen Betrag und ergibt in Summe mit dem Verfahrweg I1 den Verschiebeweg 13, siehe 1c. Je größer der Abstand a ist, desto kleiner wird der Ausgleichsweg I2 , sodass selbst mit einer vergleichsweise großen zweiten Schrittlänge s2 des zweiten Schrittmotors 2 winzig kleine Ausgleichswege I2 realisiert werden können.
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Die erreichbare Positioniergenauigkeit entspricht dem Ausgleichsweg I2 , wie er sich für eine zweite Schrittlänge s2 des zweiten Schrittmotors 2 ergibt, und ist über die Auswahl des Abstandes a quasi unendlich klein einstellbar.
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Über die Ansteuerung des ersten Schrittmotors 1 erfolgt eine Grobpositionierung und über die Ansteuerung des zweiten Schrittmotors 2 erfolgt eine Feinpositionierung der angetriebenen Komponente 3.
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In 2 ist eine Ausführung gezeigt, in der die antreibende Komponente die Abtriebsachse eines Drehmotors ist und die angetriebene Komponente 3 eine drehbar gelagerte Scheibe ist. Die im Zusammenhang mit der ersten Ausführung anhand der 1a-1c erläuterte Positionierung lässt sich auf diese Ausführung übertragen, wobei die erste Schrittlänge s1 durch den ersten Schrittwinkel α1 zu ersetzen ist. Vorteilhaft kann hier die Übersetzung der Winkelbewegung, verursacht durch die antreibende Komponente, über das Durchmesserverhältnis von Abtriebsachse zu Scheibe verändert werden. Als Abtriebsachse des Drehmotors wird hier im weitesten Sinne auch eine mit der Abtriebsachse fest verbundene Scheibe verstanden.
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Die in 3 gezeigte Ausführung soll eine Kombination von Abtriebsachse eines Drehmotors als antreibende Komponente und Positionierschlitten einer Linearführung als angetriebene Komponente 3 zeigen. Hier sind des Weiteren zwei Umlenkrollen 8 vorhanden, die ebenso in die beiden anderen Ausführungen eingefügt werden können und die lediglich eine die Positionierung nicht beeinflussende Umlenkung des Zugbandes 4 bewirken.
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Vorteilhaft ist die lineare Abtriebsachse 2.1 im halben Abstand a/2 zu den zwei festen Führungsrollen 6 angeordnet, so dass auf die an der linearen Abtriebsachse 2.1 befestigte Rolle 7, entlang der das Zugband 4 geführt ist, unabhängig vom Richtungssinn der Bewegung angreifende Kräfte symmetrisch wirken.
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Vorteilhaft ist der Abstand sehr groß, insbesondere mehr als ein Hundertfaches der zweiten Schrittlänge s2 .
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Der erfindungsgemäße Positionierantrieb ist überall dort vorteilhaft verwendbar, wo Bauteile durch Verschiebung oder Drehung sehr genau positioniert werden sollen und diese Bauteile z. B. aus Platzgründen entfernt von einer antreibenden Komponente angeordnet werden müssen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- erster Schrittmotor
- 1.1
- Abtriebsachse (des ersten Schrittmotors 1)
- s1
- erste Schrittlänge
- α1
- erster Schrittwinkel
- 2
- zweiter Schrittmotor
- 2.1
- lineare Abtriebsachse (des zweiten Schrittmotors 2)
- s2
- zweite Schrittlänge
- 3
- angetriebene Komponente
- 4
- Zugband
- 5
- Feder
- 6
- Führungsrolle
- 7
- Rolle
- 8
- Umlenkrolle
- I1
- Verfahrweg
- I2
- Ausgleichsweg
- I3
- Verschiebeweg
- a
- Abstand (zwischen den Führungsrollen 6)
- a/2
- halber Abstand (zwischen den Führungsrollen 6)
