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Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet des Positionierens mit einer Positioniervorrichtung bzw. einem Positionierverfahren und insbesondere dessen Untergebiet mit einer Kraftverstärkung.
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DE 10 2012 000 989 A1 betrifft eine Vorrichtung zur Bewegung eines Objektes in sechs Freiheitsgraden in Form einer hybriden Parallelkinematik die über lineare Antriebe bewegt wird. Gemäß der Lehre von
DE 10 2012 000 989 A1 nutzen drei lineare Antriebe auf der Ebene der stationären Basis eine gemeinsame Führungsschiene. auf der diese verfahren können.
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Es ist bekannt, dass sogenannte „Wedge-Positionierer“, etwa in Form von Hubtischen mit Keilübersetzung, eingesetzt werden, um eine Hubbewegung mit einer Kraftübersetzung zu realisieren, z.B. um kompakte Hubtische zu realisieren, die eine große Kraft haben, selbst wenn die im Hubtisch eingesetzten Antriebe verhältnismäßig schwach sind.
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Ein grundsätzlicher Aufbau und die Funktion eines Wedge-Positionierers werden im Folgenden anhand von 1 erklärt.
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In der schematischen Darstellung von 1 ist das grundlegende Design eines Wedge-Positionierer auf wenige Komponenten reduziert dargestellt, um die Funktion zu erläutern. Auf einer stationären Komponente 1 ist ein Keil 2 so gelagert, dass dieser auf der Oberfläche entlang eines Freiheitsgrades in X-Richtung geführt wird. Auf dem Keil 2 wiederum eine weitere Struktur 3 gelagert, unter der sich der Keil 2 entlangschieben kann.
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Die Struktur 3 ist hierbei gegenüber der stationären Komponente 1 so geführt, dass sich diese entlang der Y-Achse bewegen kann, in den anderen Freiheitsgraden in der Bewegung aber gesperrt ist.
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Dies führt dazu, dass sich, wenn der Keil 2 entlang der X-Richtung angetrieben wird, die Struktur 3 entlang der Y-Achse bewegt.
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Ist der Winkel a, wie im Fall von 1, kleiner als 45°, so ergibt sich die Kraft, mit der die Struktur 3 entlang der Y-Achse geschoben wird, größer als die Kraft, mit der das Keil 2 entlang der X-Ache angetrieben wird. Im gleichen Verhältnis ergibt sich dafür die Strecke, die die Struktur 3 entlang der Y-Achse bewegt wird, kleiner als die Stecke, um die der Keil 2 entlang der X-Achse bewegt wird.
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Wäre der Winkel α größer als 45°, so drehte sich das Verhältnis um, so dass die resultierende Strecke für die Struktur 3 größer würde, die Kraft aber geringer.
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Insbesondere für verhältnismäßig schwache aber hochauflösende Piezoantriebe können solche Wedge-Positionierer in vorteilhafter Weise eingesetzt werden, da die resultierenden Positionierer bei der Wahl eines Winkel α kleiner als 45° eine hohe Kraft aufweisen und keine wesentlichen Nachteile in Bezug auf die Bewegungsauflösung erfahren.
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Aus Gründen der Einfachheit, Klarheit und Übersichtlichkeit werden im Folgenden (d.h. in den 2 bis 9) jeweils bewegliche Freiheitsgrade durch eine schematische Führung dargestellt. Der entsprechenden Beschreibung ist dabei zu entnehmen, ob die Führung lediglich eine Führung ohne eigenen (eingebauten) Antrieb oder eine angetriebene Führung ist, es sich also um einen Positionierer handelt. Im vorliegenden Kontext ist der Unterschied zwischen einer Führung und einem Positionierer, dass die Führung nicht angetrieben ist, während der Positionierer angetrieben ist.
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Die Darstellung einer Führung bzw. eines Positionierers 10 in 2 zeigt einen Schlitten 12, der gegenüber einer Basis entlang des dargestellten Doppelpfeils bewegt werden kann, die im dargestellten Fall aus mehreren Komponenten besteht, und zwar aus einer Bodenplatte 14 und aus den auf der Bodenplatte befestigten Führungsschienen 16 und 18. Hierbei ist zu beachten, dass die relative Bewegung zwischen Schlitten 12 und Basis der relevante Aspekt ist, wobei beispielsweise - je nach Sichtweise - die Basis oder der Schlitten als stationär angenommen werden können.
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Es sei darauf hingewiesen, dass diese Art der Führung bzw. des Positionierers nur exemplarisch und beispielhaft zur Illustration und Erläuterungen dienen, ohne dass die Erfindung als darauf beschränkt angesehen werden sollte, obgleich die illustrierte Ausgestaltung einer Führung bzw. eines Positionierers als vorteilhaft angesehen wird. Sowohl in der Form als auch in der Funktion sind jede Art von Führung möglich, wie z.B. Wälzlager, Gleitlager, Luftlager, magnetische Lager etc..
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Auch bei der Art des Abtriebs für einen Positionierer soll keine Einschränkung gemacht werden. So sind beispielsweise Piezoantriebe, elektrostriktive Antriebe, elektromagnetische Antriebe, etc. möglich.
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In 3 a) ist ein dem Stand der Technik entsprechender Wedge-Positionierer 30 dargestellt, wobei bei der Darstellung auf die mit 2 eingeführten exemplarischen Führungen bzw. Positionierer zurückgegriffen wird. Auf einer Basis 31 ist ein Positionierer 32 befestigt. Auf dem Positionierer 32 ist wiederum eine Führung 33 unter einem Winkel α montiert. Die Bodenplatte der Führung 34 ist wiederum mit der Basis 31 befestigt. Der bewegliche Schlitten der Führung 34 ist über ein Verbindungsstück 35 mit dem Schlitten der Führung 33 verbunden, so dass diese keine Relativbewegung zueinander realisieren. Wird nun der Schlitten des Positionierers 32 bewegt, wird diese Bewegung über die Führung 33 auf den Schlitten der Führung 34 übertragen. Dabei ist die resultierende bewegte Strecke des Schlittens der Führung 34 kleiner, aber die Kraft größer, als die Bewegung bzw. die Kraft des Schlittens des Positionierers 32, wenn der Winkel a, wie hier, kleiner als 45° ist.
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Es sei angemerkt, dass der Positionierer 32 auch als Führung ausgeführt werden kann, wenn stattdessen die Führung 33 als Positionierer ausgeführt wird. Ein solches äquivalentes Durchtauschen ist auch in den folgenden Beschreibungen jederzeit möglich. Bei entsprechender Synchronisation des jeweiligen Antriebs können auch sowohl der Positionierer 32 als auch die Führung 33 (dann ebenfalls als Positionierer) angetrieben sein. Die Führung 33 muss nicht orthogonal zur Führung 34 stehen.
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In 3 b) ist der Wedge-Positionierer aus 3 a) dargestellt, wobei der Positionierer 32 seinen beweglichen Schlitten nach links ausgelenkt hat, so dass in der Folge der Schlitten der Führung 34 um ein kleineres Stück nach oben ausgelenkt wurde.
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Solche und so ähnliche Wedge-Positionierer werden häufig eingesetzt, um Lasten zu heben. Es handelt sich also um eine resultierende Bewegung mit einem Freiheitsgrad.
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Meist wird aber mehr als ein Freiheitsgrad an resultierender Bewegung benötigt, wobei in der Tat sehr oft sogar drei translatorische Freiheitsgrade gefordert werden. So ist es ohne weiteres möglich, unter oder auf einen solchen Wedge-Positionierer weitre Positionierer zu montieren, die eine jeweils orthogonale Bewegung realisieren, so dass in die Richtungen XYZ positioniert werden kann.
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Muss eine hohe Kraft in alle Raumrichtungen realisiert werden, ist es sogar möglich, drei Wedge-Positionierer zueinander verkippt (vorzugsweise orthogonal zueinander) so in Reihe zu montieren, dass eine Bewegung in jede Raumrichtung möglich ist.
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Technologisch ist es aber keine gute Lösung, da die resultierende Konstruktion groß und schwer baut, und damit schlecht für die Präzisionspositionierung geeignet ist, bei der es wichtig ist, eine hohe Steifigkeit und geringe Masse im Positioniersystem zu haben, damit die resultierende Resonanzfrequenz möglichst gering ist. Darüber hinaus kann die hohe Kraft eines Wedge-Positionierers nicht voll genutzt werden, wenn diese benötigt wird, um weitere schwere Wedge-Positionierer zu heben.
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Ein der vorliegenden Erfindung zugrundeliegendes Ziel ist es, eine Positioniervorrichtung und ein entsprechendes Positionierverfahren vorzustellen, bei denen mehr als ein Freiheitsgrad ermöglicht wird, wobei dabei eine Kraftverstärkung bzgl. der eingesetzten Antriebe unter Beibehaltung einer Eignung zur Präzisionspositionierung erreicht wird.
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Es ist daher gewünscht, eine Lösung vorzustellen, die vergleichsweise hohe Kräfte in jeden der translatorischen Freiheitsgrade aufbringen kann und das bekannte Prinzip eines Wedge-Portionierers weiterentwickelt wird, wobei die entsprechende Vorrichtung so ausgestaltet ist, dass sich die mehreren Freiheitsgrade über eine neuartige Parallelkinematik ergeben.
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Erfindungsgemäß wird nach einem ersten Aspekt eine Positioniervorrichtung mit Kraftverstärkung vorgeschlagen, wie sie in Anspruch 1 definiert ist.
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Erfindungsgemäß wird nach einem zweiten Aspekt ein kraftverstärkendes Positionierverfahren vorgeschlagen, wie es in Anspruch 10 definiert ist.
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Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass es möglich ist, das bekannte Prinzip eines Wedge-Positionierers dadurch weiterzuentwickeln, dass die Konstruktionen zum Erreichen mehrerer Freiheitsgrade miteinander kombiniert werden, ohne dass der jeweilige „Overhead“ bzw. entsprechende Redunanzen beibehalten würden. Um mit einem Aufbau, wie er in 3 illustriert ist, zwei Freiheitsgrade zu erreichen, müsste man herkömmlich zwei dieser Aufbauen miteinander kombinieren, während die vorliegende Erfindung anstelle einer sich (verdreht) wiederholenden Konstruktion die Strukturen zur Erreichung der mehreren Freiheitsgrade miteinander integriert.
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Die vorliegende Erfindung richtet sich insbesondere auf eine kraftverstärkende, parallelkinematische Positionierkinematik mit mindestens zwei Freiheitsgraden, bei der Führungen und Positionierer so angeordnet sind, dass sich in jede zu positionierende Raumrichtung eine Kraft ergibt, die höher ist als die Kraft der Positionierer.
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Sind beide Kopplungen ausschließlich für eine starre Kopplung (d.h. eine Verbindung, die keine Relativbewegung zwischen den gekoppelten Führungen zulässt) ausgestaltet, ergibt sich eine Positioniervorrichtung, die eine relative Bewegung der Kopplungen zueinander mit zwei Freiheitsgraden erlaubt. Die Kopplungen können allerdings auch so ausgestaltet werden, dass die Starrheit der Kopplung gezielt bewirkt bzw. gelöst werden kann.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung eines Aspekts der Erfindung sind die erste Führung und die dritte Führung jeweils als Positionierer ausgestaltet.
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Dass eine derartige Ausgestaltung (bei der also jede der Kombinationen jeweils einen linearen Positionierer und eine lineare Führung aufweist) bevorzugt wird, schließt nicht aus, dass auch eine Ausgestaltung, bei der eine Kombination zwei Positionierer und die andere zwei Führungen aufweist, oder eine Ausgestaltung, bei der mehr als zwei Positionierer vorgesehen sind, Ausgestaltungen der Erfindung sind.
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In einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung eines Aspekts der Erfindung ist die erste Kombination für eine Einstellung eines Winkels zwischen der ersten und der zweiten Führungsrichtung ausgestaltet und/oder die zweite Kombination für eine Einstellung eines Winkels zwischen der dritten und der vierten Führungsrichtung ausgestaltet.
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Im Rahmen der relativen Anordnung, nach der erste und die zweite Führungsrichtung und die dritte und die vierte Führungsrichtung jeweils einen Winkel einschließen, der kleiner als 45° ist, kann einer bzw. können beide Winkel einstellbar sein, um auf diese Weise das Ausmaß der Kraftverstärkung einstellen zu können. Mit anderen Worten erlaubt die jeweilige Einstellbarkeit Winkel im Bereich von mehr als 0° bis zu weniger als 45°.
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In einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung eines Aspekts der Erfindung sind die erste und/oder die zweite Kopplung jeweils für eine starre Kopplung der ersten und/oder der zweiten Kombination miteinander ausgestaltet.
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In einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung eines Aspekts der Erfindung weist die Positioniervorrichtung eine fünfte lineare Führung mit einer fünften Führungsrichtung und eine sechste lineare Führung mit einer sechsten Führungsrichtung auf, wobei die fünfte Führung als Positionierer mit einer Positionierrichtung ausgestaltet ist, die einen Winkel mit einer durch die erste und zweite oder dritte und vierte Führungsrichtung aufgespannten Ebene einschließt, der kleiner als 45° ist, wobei die erste Führungsrichtung, die zweite Führungsrichtung, die dritte Führungsrichtung, die vierte Führungsrichtung, die fünfte Führungsrichtung und die sechste Führungsrichtung in keiner Paarung parallel zueinander sind.
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Die fünfte Führung (bzw. der entsprechende Positionierer) und die sechste Führung können Teil der ersten und/oder zweiten Kopplung sein. Die sechs Führungen, von denen drei jeweils als Positionierer ausgestaltet sind, können in unterschiedlichen Weisen miteinander gekoppelt sein, wobei jeweils durch das Zusammenspiel der Führungen bzw. Positionierer eine relative Positionierung von Teilen der Positioniervorrichtung zueinander in drei Freiheitsgraden möglich ist.
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Diese Ausgestaltungen können mit der vorherigen Ausgestaltung insofern kombiniert sein, als dass die fünfte Führung (Positionierer) und die sechste Führung sperrbar ausgestaltet sein können, so dass bei einer entsprechenden Sperrung die Kopplungen für eine starre Kopplung ausgestaltet sind bzw. die Positioniervorrichtung nur zwei Freiheitsgrade aufweist.
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Im Rahmen dieser Ausgestaltungen ist eine relative Bewegung mit drei Freiheitsgraden zumindest zwischen Teilen der Kopplungen möglich.
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In einer bevorzugten Variante der obigen Ausgestaltung weist die zweite Kopplung die fünfte und die sechste Führung auf und die erste Kopplung ist für eine starre Kopplung der ersten und der zweiten Kombination miteinander ausgestaltet.
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Alternativ hierzu ist es ebenfalls möglich, dass eine der Kopplungen die fünfte und die andere Kopplung die sechste Führung aufweist.
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In einer weiteren bevorzugten Variante der obigen Ausgestaltung ist die Positioniervorrichtung für eine Einstellung eines Winkels zwischen der fünften und der sechsten Führungsrichtung ausgestaltet.
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Wie schon oben erläutert, erlaubt die Einstellung des Winkels in einfacher Weise eine Anpassung der Positioniervorrichtung hinsichtlich ihrer Kraftverstärkung.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung eines anderen Aspekts der Erfindung weisen die erste und die zweite Kopplung zusammen eine fünfte lineare Führung mit einer fünften Führungsrichtung und eine sechste lineare Führung mit einer sechsten Führungsrichtung aufweisen, wobei die fünfte Führung als dritter Positionierer mit einer Positionierrichtung ausgestaltet ist, die einen Winkel mit einer durch die erste und zweite oder dritte und vierte Führungsrichtung aufgespannten Ebene einschließt, der kleiner als 45° ist wobei die erste Führungsrichtung, die zweite Führungsrichtung, die dritte Führungsrichtung, die vierte Führungsrichtung, die fünfte Führungsrichtung und die sechste Führungsrichtung in keiner Paarung parallel zueinander sind, wobei das Positionierverfahren ein Positionieren durch den dritten Positionierer aufweist, wobei die Relativbewegungen in einer Positionierung wenigstens eines Teils der zweiten Kopplung relativ zu wenigsten einem Teil der ersten Kopplung mit drei Freiheitsgraden resultieren.
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In einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung eines Aspekts der Erfindung sind mehr als drei der Führungen als Positionierer ausgestaltet sind.
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Während für eine Positionierung mit drei Freiheitsgraden drei Führungen als Positionierer auszustalten sind, schließt dies nicht aus, dass weitere der Führungen ebenfalls Positionierer ausgelegt sind, wobei derartige Ausgestaltungen allerdings eine geeignete Ansteuerung der Antriebe der Positionierer voraussetzt.
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In einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung eines Aspekts der Erfindung weist wenigstens einer der Positionierer einen Piezo-Antrieb auf und/oder ist als Trägheitsantriebspositionierer ausgestaltet.
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Die vorliegende Erfindung erlaubt in vorteilhafter Weise, die Genauigkeit eines Piezo-Antriebs oder eines Trägheitsantriebs zu nutzen, wobei die von derartigen Antrieben bereitstellte Kraft angesichts der Kraftverstärkung eine Anwendung in einem weiten Gebiet erlaubt.
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Merkmale vorteilhafter Ausführungsformen der Erfindung sind insbesondere in den Unteransprüchen definiert, wobei weitere vorteilhafte Merkmale, Ausführungen und Ausgestaltungen für den Fachmann zudem aus den obigen Erläuterung und der folgenden Diskussion zu entnehmen sind.
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Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand von in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen weiter illustriert und erläutert. Hierbei zeigt
- 1 eine schematische Darstellung zur Illustration von Aufbau und Funktion eines Wedge-Positionierers,
- 2 eine schematische Darstellung einer Führung bzw. eines Positionierers,
- 3 schematische Darstellungen eines Wedge-Positionierers mit einem Freiheitsgrad,
- 4 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Positioniervorrichtung,
- 5 schematische Darstellungen der Positioniervorrichtung aus 4 mit unterschiedlichen Relativpositionen,
- 6 schematische Darstellungen eines zweiten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Positioniervorrichtung,
- 7 schematische Darstellungen der Positioniervorrichtung auf 6 mit unterschiedlichen Relativpositionen,
- 8 weitere schematische Darstellungen der Positioniervorrichtung auf 6 mit unterschiedlichen Relativpositionen und
- 9 weitere schematische Darstellungen der Positioniervorrichtung auf 6 mit unterschiedlichen Relativpositionen.
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In den beiliegenden Zeichnungen sowie den Erläuterungen zu diesen Zeichnungen sind einander entsprechende bzw. in Beziehung stehende Elemente - soweit zweckdienlich - mit jeweils entsprechenden oder ähnlichen Bezugszeichen gekennzeichnet, auch wenn sie in unterschiedlichen Ausführungsbeispielen zu finden sind.
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4 zeigt eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Positioniervorrichtung 40, während 5 schematische Darstellungen der Positioniervorrichtung 40 aus 4 mit unterschiedlichen Relativpositionen zeigt.
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Auf einer als Basis bezeichneten Komponente 41 ist ein Positionierer 42 befestigt. Auf dem Positionierer 42 ist wiederum eine Führung 43 unter einem in der durch die Bewegungsrichtungen von Positionierer 42 und Führung 43 aufgespannten Ebene liegenden Winkel α montiert, wobei der Winkel α größer als 0° und kleiner als 45° ist.
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Auf der Basis 41 ist ebenso ein weiterer Positionierer 44 befestigt. Auf dem Positionierer 44 ist wiederum eine weitere Führung 45 unter einem in der durch die Bewegungsrichtungen von Positionierer 44 und Führung 45 aufgespannten einem Winkel β montiert, wobei der Winkel β ebenfalls größer als 0° und kleiner als 45° ist.
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Die Positionierer 42 und 44 sind auf der Basis 41 in der durch deren Bewegungsrichtung aufgespannten Ebene mit einem Winkel δ von ungleich 0 und ungleich 180° montiert.
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Der Winkel δ kann in einer Abwandlung dieser Ausführungsform auch einstellbar sein.
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Die beweglichen Schlitten der Führungen 43 und 45 sind über ein Verbindungsstück 46 miteinander verbunden, so dass diese keine Relativbewegung zueinander ausführen können.
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Die Basis 41 und das Verbindungsstück 46 stellen hierbei die Kopplungen zwischen den Kombinationen aus Positionierer 42 und Führung 43 einerseits und aus Positionierer 44 und Führung 45 andererseits dar.
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Wird nun der Schlitten des Positionierers 42 bewegt, so wird diese Bewegung über die Führung 43 auf den Schlitten der Führung 45 übertragen. Dabei ist die resultierende, bewegte Strecke des Schlittens der Führung 45 kleiner, aber die Kraft größer, als die Bewegung bzw. die Kraft des Schlittens des Positionierers 42, da der Winkel α kleiner als 45° ist.
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Es sei hier angemerkt, dass der Positionierer 42 auch als Führung ausgeführt werden kann, wenn stattdessen etwa die Führung 43 als Positionierer ausgeführt wird.
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Wird nun der Schlitten des Positionierers 44 bewegt, so wird diese Bewegung über die Führung 45 auf den Schlitten der Führung 43 übertragen. Dabei ist die resultierende, bewegte Strecke des Schlittens der Führung 43 kleiner, aber die Kraft größer, als die Bewegung bzw. die Kraft des Schlittens des Positionierers 44, da der Winkel β kleiner als 45° ist.
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Es sei auch hier angemerkt, dass der Positionierer 44 auch als Führung ausgeführt werden kann, wenn stattdessen etwa die Führung 45 als Positionierer ausgeführt wird.
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Es ist ebenso möglich, eine Kombination (z.B. aus den Elementen 42 und 43) aus zwei Positionierern mit einer Kombination aus Führungen (oder auch weiteren Positionierern) zu verbinden.
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Die Schlitten der Führung 43 und der Führung 45 bewegen sich nicht relativ zueinander, da diese miteinander über das Verbindungsstück 46 befestigt sind.
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In der Folge ergibt sich, dass egal, welcher der Positionierer 41, 44 bewegt wird, das Verbindungsstück 46 entsprechend mitbewegt wird. Wenn nun z.B. ein zu positionierendes Objekt (direkt oder indirekt) mit dem Verbindungsstück 46 befestigt wird, kann es in zwei translatorischen Freiheitsgraden mit einer höheren Kraft als die Antriebe innerhalb der einzelnen Positionierer relativ zur Basis 41 bewegt werden.
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Somit baut die hier illustrierte Positioniervorrichtung deutlich leichter und kompakter als zwei in serieller Weise aufeinander montierte vergleichbare Wedge-Positionierer, so dass sich deutliche Vorteile insbesondere für Präzisionspositionieraufgaben ergeben.
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Damit die Funktion besser nachvollzogen werden kann, sind in der 5 verschiedene Posen der 2D-Parallelkinematik dargestellt.
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In der Mitte von 5 ist unter a) die beispielhafte Ausführung der 2D-Kinematik, wie sie in 4 dargestellt ist, in ungefähr zentraler Position dargestellt. Unter b) sind die Positionierer so ausgelenkt worden, dass das Verbindungsstück 46 in maximal nach links-oben verschoben ist. Unter c) sind die Positionierer so ausgelenkt worden, dass das Verbindungsstück 46 in maximal nach rechts-oben verschoben ist. Unter d) sind die Positionierer so ausgelenkt worden, dass das Verbindungsstück 46 in maximal nach rechts-unten verschoben ist. Unter e) sind die Positionierer so ausgelenkt worden, dass das Verbindungsstück 46 in maximal nach links-unten verschoben ist.
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Selbstverständlich kann entweder die Basis bezeichnete Kopplung 41 als stationär und die als Verbindungsstück bezeichnete Kopplung 46 als relativ dazu beweglich angenommen werden, oder andersherum kann die Kopplung 41 als beweglich betrachtet werden und die Kopplung 46 als stationär. Diese „Umdrehen“ hat keine funktionelle Änderung zur Folge und ist daher als äquivalent zu betrachten.
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Ebenfalls ist es möglich einen Positionierer mit der Basis zu verbinden und eine Führung, so dass dann auf den auf die Basis befestigten Positionierer eine weitere Führung montiert wird und auf die auf der Basis befestigte Führung ein weiterer Positionierer. Eine solche „Durchmischung“ hat keine funktionelle Änderung zur Folge und ist daher als äquivalent zu betrachten.
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Während mit Bezug auf 4 und 5 zunächst eine beispielhafte Ausprägung der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit zwei Freiheitsgraden diskutiert wurde, folgt nun anschließend eine Diskussion einer beispielhafte Ausprägung mit drei Freiheitsgraden.
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Eine Positionierung in drei Freiheitsgraden wird technisch besonders häufig gefordert.
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Es ist möglich, auf eine erfindungsgemäße Positioniervorrichtung mit zwei Freiheitsgraden, wie sie etwa in 4 und 5 beispielhaft gezeigt ist, einen weiteren Wedge-Positionierer in Serie aufzusetzen, so dass drei Freiheitsgrade bewegt werden können.
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Vorzugsweise wird jedoch auch der dritte Freiheitsgrad in die Kinematik eingebunden, so dass sich ein möglichst leichtes und steifes Positioniersystem ergibt.
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6 zeigt schematische Darstellungen eines zweiten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Positioniervorrichtung.
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Anhand von 6 a) und 6 b) wird der schematische Aufbau einer entsprechenden, erfindungsgemäßen Positioniervorrichtung 50 anhand einer beispielhaften Ausführung erklärt. 6 a) zeigt eine isometrische Ansicht, während 6 b) eine Seitenansicht zeigt.
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Im Grunde ähnelt der anhand 6 a) und 6 b) erklärte Aufbau dem anhand von 4 und 5 erläuterten Aufbau.
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Anstatt über ein einfaches Verbindungsstück, wie Kopplung 46 in 4, sind die Schlitten der Führungen 53 und 55 über eine Baugruppe miteinander verbunden, die im Zusammenspiel mit einer der Führungen eine Bewegung in die dritte Raumrichtung (z) ermöglicht. Insofern wird die Funktionsweise der Bewegung in X und Y-Richtung nicht nochmal erklärt, sondern auf die vorhergehende Erklärung verwiesen.
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Die die Schlitten der Führungen 53 und 55 verbindende Baugruppe umfasst in diesem Ausführungsbeispiel die Bauteile der Verbindungsstücke 56a, 56b und 56c, der Führung 57 und der Positionierers 59.
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Dabei handelt es sich bei dem Verbindungsstück 56a um ein Verbindungsstück, welches den Schlitten der Führung 55 mit der Bodenplatte der Führung 57 verbindet. Der Schlitten der Führung 57 ist mit einem Winkelstück 56b verbunden, welches auch an dem Positionierer 59 befestigt ist. Das Winkelstück 56b stellt den Winkel γ zwischen der Ausrichtung der Führung 53 und dem Positionierer 59 ein.
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Hierbei kann insbesondere an dem Winkelstück 56a (oder dem Schlitten der Führung 57) ein zu positionierendes Objekt (nicht gezeigt) direkt oder indirekt befestigt werden, welches dann mit dem Positioniersystem in drei Raumrichtungen positioniert werden kann.
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Über das Verbindungsstück 56c ist die zweite Seite des Positionierers 59 mit dem Schlitten der Führung 53 verbunden, so dass sich diese Teile nicht relativ zueinander bewegen. Wird nun der Positionierer 59 angetrieben, so dass sich dessen Bodenplatte relativ zum Schlitten verschiebt, so führt das dazu, dass sowohl der in Verbindung stehende Schlitten der Führung 53 ausgelenkt wird, als auch der Schlitten der Führung 57. Da der Winkel γ kleiner als 45° gewählt ist, ist der resultierende Hub des Schlittens der Führung 57 (und damit auch die Bewegung des Winkelstücks 56b) kleiner als der Hub des Positionierers 59. Dementsprechend ist die erzielbare Kraft auch größer als die Antriebskraft des Positionierers 59.
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Mit einem solchen Positioniersystem kann nun ein etwa an dem Winkelstück 56b befestigtes oder aufgelegtes Bauteil in drei Raumrichtungen mit hoher Kraft, also mit einer höheren Kraft, als die jeweiligen Positionierer aufbringen, im Raum bewegt werden.
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Es ist zu beachten, dass die Positioniervorrichtung von 6 (die auch in den 7 bis 9 dargestellt ist) nur eine Ausgestaltung zeigt, wobei zu bemerken ist, dass die Reihenfolge der miteinander verbundenen Elemente zur Verwirklichung der Erfindung nicht notwendig ist, d.h. nicht streng so eingehalten werden muss, wie es in diesem Beispiel gezeigt ist.
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So ist es z.B. auch möglich, dass die Führung 53 nicht auf dem Positionierer 52 sitzt, sondern zwischen dem Positionierer 59 und der Kopplung 56b angeordnet wird.
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Ebenso ist es möglich - auch und gerade gelichzeitig mit der obigen Abwandlung, dass die Führung 55 nicht auf dem Positionierer 54 angeordnet ist, sondern zwischen der Führung 57 und der Kopplung 56b.
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Es ist ein besonderer Vorteil der Erfindung im allgemeinen, dass durch die parallelkinematische Struktur der gesamte Aufbau leicht aber steif baut, da die Komponenten eben nicht einfach mehrfach vorhanden seriell aufeinander gebaut werden. Die konsequente Fortsetzung des Erfindungsaspekts mit zwei Freiheitsgraden, der anhand von 4 und 5 illustriert ist, sieht bei der Erweiterung um den dritten Freiheitsgrad nicht einfach vor, ein (gesondertes) Modul einzubringen, welches den dritten Freiheitsgrad bietet, sondern sieht vor, dass zwar neue Komponenten eingebracht werden, aber auch bestehende Komponenten mit genutzt werden.
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So wird beispielsweise die Führung 53 ausgelenkt, wenn der Positionierer 52 bewegt wird. Aber die Führung 53 macht auch dann eine Ausgleichsbewegung, wenn die Führung 59 bewegt wird.
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In der kinematischen Kette kann weiterhin beispielsweise die Führung 53 anders, als in den Figuren dargestellt, in einer alternativen Ausgestaltung mit der Basis 51 verbunden sein, oder eben mit der Kopplung 56b. Gleiches gilt für die Führung 55.
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Anhand der 7 bis 9 kann nachvollzogen werden, wie sich die verschiedenen Komponenten bewegen, wenn das Winkelstück 58b in verschiedene Positionen gebracht wird.
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In 7 ist die beispielhafte Ausführungsform mit drei Freiheitsgraden aus 6 dargestellt, während das Winkelstück 56b in mittlerer Position für jeden Freiheitsgrad steht. In 7 a) ist die Draufsicht zu sehen. 7 b) zeigt eine Seitenansicht und 7 c) zeigt eine isometrische Darstellung.
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In 8 ist das Winkelstück 56b in X-Richtung (nach links) und in Y-Richtung (nach unten) verfahren worden. In 8 a) ist die Draufsicht zu sehen. 8 b) zeigt eine Seitenansicht und 8 c) zeigt eine isometrische Darstellung.
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In 9 ist das Winkelstück 56b hochgefahren (in Z-Richtung). In 9 a) ist die Draufsicht zu sehen. 9 b) zeigt eine Seitenansicht und 9 c) zeigt eine isometrische Darstellung.
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Es sei angemerkt, dass es sich bei allen Beispielen und Illustrationen um stark vereinfachte Darstellungen handelt. So sind die Bauteile nicht unbedingt in den richtigen Proportionen dargestellt. Bei der Darstellung wurde lediglich darauf geachtet, dass das Funktionsprinzip einfach erklärt werden kann. Konstruktive Mittel, um basierend auf der funktionalen Erklärung ein steifes, robustes und leichtes Positioniersystem zu gestalten, liegt in den Fähigkeiten eines Fachmanns.
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Ebenfalls wird darauf hingewiesen, dass sowohl Führungen, als auch Positionierer gedreht werden können, dass ein Schlitten an die vorherige funktionelle Position der Bodenplatte kommt und die Bodenplatte an die vorherige funktionelle Position der des Schlittens.
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Die Reihenfolge, mit der die Führung und Positionierer eingesetzt werden ist nicht zwingend so anzuordnen wie in den vorherigen und folgenden beispielhaften Ausführungen. So ist es z.B. möglich auf der Basisplatte zunächst Führungen zu befestigen, auf denen dann Positionierer montiert sind. Die Funktion des Positioniersystems verändert sich dadurch nicht und der erfinderische Gedanke wird dadurch nicht verändert.
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In den beispielhaften Ausführungen wurde auf die Winkel α, β und γ Bezug genommen, die für eine kraftvergrößernde Wirkung kleiner als 45° sein sollen. Es ist konstruktiv möglich, die Positionierer so zu montieren, dass ein Anwender die Winkel selber einstellen kann, was den Anwender in die Lage versetzt, die Kraftübersetzung selber einzustellen, so dass das Positioniersystem auf den jeweiligen Anwendungsfall getrimmt werden kann.
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Grundsätzlich können Positionssensoren mit dem Positioniersystem eingesetzt werden, so dass im geschlossenen Regelkreis Positionen angefahren werden können. Es ist möglich Sensoren in das Positioniersystem zu integrieren. Dabei bietet es sich an, wenn diese Sensoren direkt die Verschiebung der Schlitten gegenüber der Basis einiger Führungen oder Positionieren messen. Es ist aber auch möglich externe Sensoren, wie z.B. Laserinterferometer zu nutzen, die direkt die Bewegung des zu positionierende Verbindungsstücks 56 oder 57, oder ein damit verbundenes Objekt messen, so dass eine besonders hohe Wiederholgenauigkeit erzielt werden kann.
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In einer Ausgestaltung der Erfindung ergibt sich eine Positioniervorrichtung mit wenigstens zwei translatorischen Freiheitsgraden, bei der eine kraftverstärkende Anordnung realisiert ist, bei der auf einer Basis mindestens zwei Positionierer, direkt oder indirekt, befestigt sind, wobei die mindestens zwei Positionierer in der durch deren Bewegungsrichtung aufgespannten Ebene mit einem Winkel δ von ungleich 0 oder 180° zueinander montiert sind. An der beweglichen Komponente eines der Positionierer ist mindestens eine Führung, direkt oder indirekt, befestigt, wobei ein, in der durch die Bewegungsrichtung der Führung und des Positionierers aufgespannte Ebene liegender Winkel α zwischen der Führung und dem Positionierer eingestellt wird. An der beweglichen Komponente des anderen Positionierers ist mindestens eine weitere Führung, direkt oder indirekt, befestigt, wobei in der Ebene, die durch die Bewegungsrichtung der Führung und dem Positionierer aufgespannt wird, ein Winkel β zwischen der Führung und dem Positionierer eingestellt wird, wobei diese Winkel α und β für die kraftverstärkende Wirkung kleiner als 45° gewählt werden. Die beweglichen Komponenten der Führungen werden über mindestens ein Verbindungsstück, direkt oder indirekt, miteinander verbunden, so dass von einem der beweglichen Komponenten der Führungen oder dem Verbindungsstück, die ursprünglich von den Positionierern eingebrachte Bewegung kraftverstärkt abgegriffen werden oder auf ein zu positionierendes Objekt übertragen werden kann.
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In einer Ausführung der Ausgestaltung sind die Führungen auf der Basisplatte befestigt sind und die Positionierer sind, direkt oder indirekt, an die beweglichen Komponenten der Führungen montiert.
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In einer anderen Ausführung ist mindestens ein Positionierer auf der Basisplatte befestigt, auf den eine Führung montiert ist, und darüber hinaus ist mindestens eine Führung auf der Basisplatte befestigt, während auf dieser Führung der weitere Positionierer montiert ist.
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In einer weiteren Ausführung wird die Vorrichtung um einen dritten translatorischen Freiheitsgrad erweitert, indem anstatt des mindestens einen Verbindungsstücks, eine Baugruppe, bestehend aus mindestens einer Führung und mindestens einem Positionierer integriert wird, dergestalt, dass, die beweglichen Komponenten der Führungen über diese Baugruppe miteinander verbunden werden, so dass diese beweglichen Komponenten der Führungen eine Relativbewegung zueinander vollziehen, wenn der mindestens eine Positionierer der Baugruppe bewegt wird. Die die dritte Raumrichtung aufspannende Führung ist mit der beweglichen Komponente einer der Führungen verbunden. An der hierzu beweglichen Komponente der Führung ist mindestens ein Positionierer, direkt oder indirekt, befestigt, wobei in der Ebene, die durch die Bewegungsrichtung der Führung und dem Positionierer aufgespannt wird, ein Winkel γ zwischen der Führungen und dem Positionierer eingestellt wird, und wobei dieser Winkel γ für die kraftverstärkende Wirkung kleiner als 45° gewählt wird. An der relativ dazu beweglichen Komponenten des Positionierers ist die bewegliche Komponente der Führung, direkt oder indirekt, befestigt.
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In einer weiteren Ausführung ist mindestens einer der Winkel α, β, γ und δ nachträglich einstellbar, so dass darüber die Kraftverstärkung eingestellt werden kann.
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Auch wenn in den Figuren verschiedene Aspekte oder Merkmale der Erfindung jeweils in Kombination gezeigt sind, ist für den Fachmann - soweit nicht anders angegeben - ersichtlich, dass die dargestellten und diskutieren Kombinationen nicht die einzig möglichen sind. Insbesondere können einander entsprechende Einheiten oder Merkmalskomplexe aus unterschiedlichen Ausführungsbeispielen miteinander ausgetauscht werden.
