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Die Erfindung betrifft ein Positioniermodul gemäß Anspruch 1 sowie eine Positioniervorrichtung mit zumindest einem solchen Positioniermodul gemäß Anspruch 10.
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Die
EP 0 266 236 A1 beschreibt eine Positioniervorrichtung, bei der an einem festen Gestell sechs Stellantriebe montiert sind, um ein bewegliches Gestell in sechs Freiheitsgraden zu bewegen. Jeweils ein Paar von Stellantrieben ist für Bewegungen des beweglichen Gestells in der entsprechenden von drei zueinander orthogonalen Richtungen zuständig, wobei jeder der Stellantriebe eine bewegliche Stange aufweist, welche mit dem beweglichen Gestell über eine fünf Freiheitsgrade aufweisende Verbindung gekoppelt ist.
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Die
DE 10 2011 102 907 A1 offenbart eine Vorrichtung zur Erzeugung einer Kompensationskraft, die einer an einem Bauteil entlang einer Kraftrichtung angreifenden Kraft entgegenwirkt. Hierbei wirkt der wenigstens eine Aktuator der Vorrichtung entlang einer Aktuatorrichtung auf das Bauteil mit einer Aktuatorkraft, wobei die Kraftrichtung und die Aktuatorrichtung einen Winkel einschließen, so dass die gegen die Kraftrichtung gerichtete Kraftkomponente der Aktuatorkraft die Kompensationskraft bildet.
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Aus der Druckschrift
DE 10 2019 111 026 B4 der Anmelderin ist eine Positioniervorrichtung bekannt, bei der ein Positionierelement in sechs Freiheitsgraden gegenüber einer Basis mittels längenveränderlicher und elektrisch angetriebener Beinelemente positionierbar ist.
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Von gewissem Nachteil bei der aus der
DE 10 2019 111 026 B4 vorbekannten Positioniervorrichtung ist der vergleichsweise große Bauraum, den die Beinelemente einnehmen, sowie die durch Kräfte, insbesondere Gewichts- und Lastkräfte, hervorgerufene mechanische Belastung der in den Beinelementen integrierten Antriebe. Ein weiterer gewisser Nachteil der aus der
DE 10 2019 111 026 B4 vorbekannten Positioniervorrichtung ist deren eingeschränkter Einsatzbereich.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein vielseitig einsetzbares Positioniermodul bereitzustellen, welches einen geringen Bauraum einnimmt und bei dem Belastungen auf den Antrieb durch äußere Kräfte wie Last- oder Gewichtskräfte verringert werden können.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Positioniermodul nach Anspruch 1, wobei die sich daran anschließenden Unteransprüche wenigstens zweckmäßige Weiterbildungen beschreiben.
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Das erfindungsgemäße Positioniermodul umfasst hierbei eine Basis und ein gegenüber der Basis relativ bewegbares Positionierelement. Dabei ist das Positionierelement über mindestens ein längenkonstantes bzw. längenunveränderliches Beinelement mit der Basis gekoppelt, wobei das Beinelement über eine Gelenkvorrichtung mit dem Positionierelement verbunden ist. Dem bzw. jedem Beinelement ist ein an der Basis angeordnetes und separates, d.h. dem Beinelement bzw. jedem Beinelement eigenes, Antriebsmodul mit einer Antriebseinheit und einem durch die Antriebseinheit entlang einer Bewegungsrichtung verschiebbaren Antriebselement zugeordnet. Hierbei ist das Antriebselement über eine weitere Gelenkvorrichtung mit dem zugeordneten Beinelement verbunden, so dass im Falle mehrere Beinelemente jedes der Beinelemente separat bewegbar ist. Das Antriebselement ist mit einer Kraftkompensationseinrichtung verbunden, mit welcher eine definierte Kraft entlang der Bewegungsrichtung dieses Antriebselements auf dasselbe ausübbar ist.
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Sollte im Text - wir vorstehend und gegebenenfalls auch nachfolgend - bei einem Merkmal der unbestimmte Artikel verwendet sein, so wird bei einer nachfolgenden Erwähnung desselben Merkmals durch Verwendung des bestimmten Artikels explizit auf die durch den unbestimmten Artikel implizierte Mengenangabe Bezug genommen, ohne dass dies zu einer entsprechenden Einschränkung auf eben diese Mengenangabe führen soll. In diesem Zusammenhang soll mit Bezug auf das vorstehend beschriebene Positioniermodul u.a. ebenfalls umfasst sein:
- - im Falle von mehreren Beinelementen ist entweder nur ein Teil der Beinelemente oder aber es sind alle Beinelemente über eine Gelenkvorrichtung mit dem Positionierelement verbunden
- - im Falle von mehreren Beinelementen ist jedem Beinelement ein an der Basis angeordnetes und separates Antriebsmodul zugeordnet
- - bei mehreren Beinelementen und entsprechend mehreren Antriebselementen ist entweder nur ein Teil der Antriebselemente über eine Gelenkvorrichtung mit dem jeweiligen Beinelement verbunden oder aber es sind alle Antriebselemente über eine Gelenkvorrichtung mit den Beinelementen verbunden
- - im Falle von mehreren Beinelementen und einer entsprechenden Anzahl von Antriebsmodulen bzw. Antriebselementen ist entweder nur ein Teil der Antriebselemente mit einer jeweiligen Kraftkompensationseinrichtung verbunden, oder aber es sind alle Antriebsmodule bzw. Antriebselemente mit einer jeweiligen Kraftkompensationseinrichtung verbunden.
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Dadurch, dass das Antriebsmodul und die entsprechende Antriebseinheit eines Beinelements an der Basis angeordnet ist und auf die mit dem Antriebselement verbundene Gelenkvorrichtung einwirkt, d.h. diese bewegt, resultiert eine sogenannte Fußpunktbewegung des Beinelements, welches selbst längenunveränderlich bzw. längenkonstant ist. Somit muss die der Basis zugewandte Gelenkvorrichtung nicht die Gewichtslast des Antriebs aufnehmen und kann daher leichter, d.h. weniger massiv, ausgeführt sein. Weiterhin kann das Beinelement bzw. können die Beinelemente hierdurch wesentlich filigraner und ebenfalls leichter ausgeführt sein, so dass insgesamt eine gewichtsreduzierte und bauraumoptimierte Ausführung für das erfindungsgemäße Positioniermodul ermöglich ist. Aufgrund der zusätzlich vorhandenen Kraftkompensationseinrichtung, die mit dem Antriebselement verbunden ist, kann die Einleitung von Kräften, insbesondere von Last- und Gewichtskräften, in die Antriebseinheit entweder komplett verhindert oder aber zumindest deutlich reduziert werden.
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Ein erfindungsgemäßes Positioniermodul, das für sich alleine bereits als 2d-planare Positioniervorrichtung bzw. 2d-planarer Versteller verwendet werden kann, lässt sich durch weitere erfindungsgemäße Positioniermodule ergänzen, um dadurch eine für den jeweiligen Anwendungsfall optimierte Positioniervorrichtung zu erhalten (Modulbauweise). Beispielsweise kann mit zwei der erfindungsgemäßen Positioniermodule ein 4d-Versteller realisiert werden.
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Es kann von Vorteil sein, dass die Kraftkompensationseinrichtung bzw. eine der Kraftkompensationseinrichtungen wenigstens ein Kraftkompensationsmodul umfasst, und das wenigstens eine Kraftkompensationsmodul mit der Basis verbunden ist. Somit ist eine besonders platzsparende bzw. integrierte Bauweise des Positioniermoduls möglich. Das Vorstehende soll auch ein Positioniermodul umfassen, bei dem im Falle von mehreren Kraftkompensationseinrichtungen nur eines der Kraftkompensationsmodule, oder mehrere der Kraftkompensationsmodule oder aber alle Kraftkompensationsmodule mit der Basis verbunden sind. Ebenso soll darunterfallen, dass im Falle mehrerer Kraftkompensationseinrichtungen diese jeweils eine unterschiedliche Anzahl von Kraftkompensationsmodulen aufweisen.
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Es kann ebenfalls von Vorteil sein, dass die definierte Kraft, die mittels der Kraftkompensationseinrichtung oder einer oder mehrerer der Kraftkompensationseinrichtungen oder aller Kraftkompensationseinrichtungen auf das jeweilige Antriebselement wirkt, durch Magnete oder durch Druckluft oder durch Druckflüssigkeit erzeugt ist. Hinsichtlich der Verwendung von Magnetkräften zur Kraftkompensation sind neben Permanentmagneten auch Elektromagnete oder eine Kombination von Permanent- und Elektromagneten denkbar.
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Es kann zudem von Vorteil sein, dass das Kraftkompensationsmodul bzw. eines oder mehrere der Kraftkompensationsmodule oder aber alle Kraftkompensationsmodule eine Hülse aus einem zumindest abschnittsweise magnetischen oder magnetisierbaren Material, und einen zumindest teilweise in die Hülse hineinragenden Stab aus einem zumindest abschnittsweise magnetischen oder magnetisierbaren Material aufweist bzw. aufweisen, wobei die Hülse und der Stab jeweils relativ drehbar zueinander gelagert sind. Hierbei kann es von besonderem Vorteil sein, dass in die Hülse des Kraftkompensationsmoduls zwei Schalensegmente bzw. Hohlzylindersegmente aus einem magnetischen oder magnetisierbaren Material eingesetzt sind, und besagte Schalen- oder Hohlzylindersegmente einen Winkel von im Wesentlichen 90°aufspannen. Hierdurch ist eine vergleichsweise einfache Realisierung einer einstellbaren bzw. variablen Kraftkompensation mittels Magnetkräften möglich.
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Es kann weiterhin von Vorteil sein, dass die Kraftkompensationseinrichtung bzw. eine oder mehrere der Kraftkompensationseinrichtungen oder aber alle Kraftkompensationseinrichtungen eine Hebelübersetzungsvorrichtung aufweist bzw. aufweisen. Mittels einer Hebelübersetzung können auch höhere Lasten, die ansonsten auf den Antrieb wirkten bzw. in diesen eingeleitet würden, kompensiert werden.
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Ferner kann es von Vorteil sein, dass die Antriebseinheit bzw. eine oder mehrere der Antriebseinheiten oder aber alle Antriebseinheiten einen elektromagnetischen Antrieb umfasst bzw. umfassen. Hierunter fallende Voice-Coil-Direktantriebe haben beispielsweise den Vorteil, dass sie reibungsfrei arbeiten und dabei eine hohe Dynamik erlauben. Sie gestatten zudem eine höhere Positionierpräzision und sind kostengünstiger als etwa Spindelantriebe.
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Darüber hinaus kann es von Vorteil sein, dass zumindest eine der beiden einem Beinelement zugeordneten Gelenkvorrichtungen derart ausgebildet ist, dass eine Verkippung dieses Beinelements um zwei senkrecht zueinander angeordnete Kippachsen und eine Rotation desselben Beinelements um seine eigene Längsachse ermöglicht ist. Hierbei kann es von Vorteil sein, dass wenigstens eine der Gelenkvorrichtungen ein Kardangelenk sowie ein Drehgelenk umfasst, wobei die vorgenannten Gelenkstypen sowohl mit gegeneinander verschiebbaren bzw. relativ zueinander bewegbaren und dabei gegeneinander reibenden bzw. gleitenden Flächen der entsprechenden Gelenkelemente bzw. Gelenkabschnitte im Sinne konventioneller Kardan- bzw. Drehgelenke ausgebildet sein können, als auch über ein Festkörpergelenk bzw. mehrere zusammenwirkende Festkörpergelenke oder aber durch eine Kombination von konventionellen und Festkörpergelenken gebildet sein können. Die beiden durch ein Kardangelenk gegebenen Verkippungsmöglichkeiten eines Beinelements gepaart mit der Verdreh- bzw. Rotationsmöglichkeit durch ein Drehgelenk erlauben insbesondere die Realisierung eines Positionierelements mit sechs Freiheitsgraden.
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Die Erfindung betrifft zudem eine Positioniervorrichtung zum Positionieren eines Objekts mit wenigstens einem vorstehend skizzierten Positioniermodul. Hierbei kann es insbesondere von Vorteil sein, dass die Positioniervorrichtung drei Positioniermodule aufweist, wobei jedes der Positioniermodule zwei ein Beinpaar bildende Beinelemente aufweist, wobei die Positioniermodule derart zueinander angeordnet sind, dass jeweils ein Beinpaar durch ein anderes Beinpaar hindurchragt und jedes Beinpaar senkrecht zu den jeweils anderen Beinpaaren angeordnet ist, und das Positionierelement jedes Positioniermoduls mit den Positionierelementen der beiden jeweils anderen Positioniermodule verbunden ist und die drei Positionierelemente zusammen einen Positionierkörper bilden, welcher sechs Bewegungsfreiheitsgrade aufweist.
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Hierbei kann es von Vorteil sein, dass jedes der Positionierelemente einer Plattform mit einer im Wesentlichen ebenen Plattformfläche entspricht, wobei die jeweilige einem Beinpaar zugeordnete Plattform im Wesentlichen senkrecht zu deren Beinelementen angeordnet ist, und die drei miteinander verbundenen Plattformen zusammen einen Positionierkörper bilden, bei dem jede der Plattformflächen im Wesentlichen senkrecht zu den beiden jeweils anderen Plattformflächen angeordnet ist und dadurch einen Teil eines Würfels bzw. einen Teilwürfel bilden.
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Zudem kann es hierbei von Vorteil sein, dass die drei Positioniermodule derart angeordnet sind, dass ihre Basen gemeinsam einen würfelartigen Basiskörper mit einer im Wesentlichen würfelförmigen Aussparung bilden, und innerhalb dieser würfelförmigen Aussparung der teilwürfelförmige Positionierkörper derart angeordnet ist, dass die jeweils entsprechenden Kanten des Basiskörpers und des Positionierkörpers parallel zueinander verlaufen und der Positionierkörper den Basiskörper im Wesentlichen zu einem vollständigen Würfel ergänzt. Durch die entsprechende Anordnung des Positionierkörpers in einer Ecke des würfelförmigen Basiskörpers resultiert in analoger Weise ein Arbeitspunkt in der gleichen Ecke des Basiskörpers, der einen maximierten Arbeitsraum ergibt. Dies steht im Gegensatz zu herkömmlichen Hexapoden, bei denen der Arbeitspunkt im Zentrum einer Arbeitsplattform liegt. Dieser Arbeitspunkt kann symmetrisch in alle Raumrichtungen bewegt und um alle Raumachse gedreht werden. Sollen um einen anderen Arbeitspunkt translatorische und rotatorische Bewegungen ausgeführt werden, so ist eine Rücktransformation auf den ursprünglichen Arbeitspunkt notwendig (mathematisch Rückrechnung). Diese bewirkt, dass im neuen Arbeitspunkt nicht der volle Stellweg bzw. Stellwinkel möglich ist. Da allerdings viele Applikationen einen Arbeitspunkt haben, der nicht im Zentrum der Arbeitsplattform, sondern an einer Kante liegt, ist deren Arbeitsbereich bei konventionellen Hexapoden stark eingeschränkt.
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Vorteile und Zweckmäßigkeiten der Erfindung werden deutlicher aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele anhand der Figuren. Es zeigen:
- 1: Perspektivische Darstellung eines erfindungsgemäßen Positioniermoduls mit zwei Beinelementen
- 2: Darstellung des Positioniermoduls nach 1 ohne Positionierelement
- 3: Perspektivische Darstellung eines einzelnen Antriebsmoduls des Positioniermoduls nach 1 und 2
- 4: Perspektivische Darstellung eines einzelnen Antriebsmoduls für ein erfindungsgemäßes Positioniermodul mit einer alternativen Ausführungsform für die Kraftkompensationseinrichtung
- 5: Perspektivische Darstellung des Antriebsmoduls nach 3 mit unterschiedlicher Blickrichtung
- 6: Perspektivische Darstellung eines Beinelements eines Positioniermoduls mit daran angeordneten Gelenkelementen
- 7: Perspektivische Darstellung eines Beinelements eines Positioniermoduls mit daran angeordneten Gelenkvorrichtungen in Form von Festkörpergelenken
- 8: Positioniervorrichtung mit insgesamt drei Positioniermodulen nach 1 in Form eines Hexapoden bzw. Hexapod-Würfels
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1 zeigt in einer perspektivischen Darstellung eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Positioniermoduls 1. In einer Ausnehmung bzw. Aussparung einer Basis 2 sind zwei neben- oder hintereinanderliegend angeordnete und voneinander unabhängige Antriebsmodule 6 mit jeweils einer Antriebseinheit 62 in Form eines linearen Direktantriebs, realisiert durch einen einphasigen Voice Coil Motor (VCM), gelegen, die jeweils indirekt mit der Basis 2 über eine in 1 nicht erkennbare Basisplatte verbunden sind. In seiner allgemeinsten Form kann das Positioniermodul 1 über nur ein Antriebsmodul 6 verfügen. Die Antriebseinheit 62 ist nicht auf Direktantriebe und auch nicht auf VCM bzw. einen einphasigen VCM beschränkt. Denkbar ist die alternative Verwendung eines dreiphasigen Linearmotors, der größere Stellwege erlaubt. Weiterhin ist denkbar, die Antriebseinheit 62 über eine durch einen Elektromotor angetriebene Spindel zu realisieren, mit dem hohe Antriebskräfte realisierbar sind und der zudem über effektive selbsthemmende Eigenschaften verfügt. Unter Selbsthemmung im Allgemeinen ist der durch Reibung verursachte Widerstand gegen ein Verrutschen oder ein Verdrehen zweier aneinander liegender Körper zu verstehen, und im Zusammenhang mit Antrieben der entsprechende Widerstand gegen eine ungewollte Verstellung bzw. Bewegung des Antriebselements, insbesondere im energielosen Zustand der Antriebseinheit.
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Ferner sind für die Antriebseinheit Piezomotoren in Form von Schreitantrieben, Ultraschallantrieben oder Stick-Slip- bzw. Trägheitsantrieben möglich, die ebenfalls über selbsthemmende Eigenschaften verfügen. Darüber hinaus sind auch Antriebseinheiten in Form von Aktoren, die auf unterschiedlichen Aktorprinzipien beruhen, vorstellbar, etwa Hydraulik- oder Pneumatik-Aktoren, elektromechanische Aktoren, Formgedächtnislegierungs-Aktoren etc. Hierbei ist denkbar, dass die Stellbewegung der Aktoren über Hebelübersetzungsvorrichtungen vergrößert wird.
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Jede der beiden Antriebseinheiten 62 verfügt über ein Antriebselement 64, welches das (linear-)bewegliche Teil der jeweiligen Antriebseinheit 62 darstellt. Das Antriebselement 64 ist über eine außerhalb der Antriebseinheit 62 und seitlich zu diesem angeordnete Führungseinrichtung, welche in 1 verdeckt und daher nicht oder nur unzureichend erkennbar ist, linear geführt. Es ist jedoch ebenfalls denkbar, eine zentrisch angeordnete Führungseinrichtung in Form einer Führungshülse zu verwenden. Zudem ist es möglich, die entsprechende Führungseinrichtung mit einer Hebelübersetzung auszustatten bzw. zu verbinden.
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Über einen von dem jeweiligen Antriebselement 64 seitlich abstehenden bzw. auskragenden Verbindungsabschnitt 64-1 ist dieses mit einer Kraftkompensationseinrichtung 7 verbunden, welche weiter unten näher beschrieben ist. Die Kraftkompensationseinrichtung 7 ist insbesondere dazu geeignet, Lastkräfte, und insbesondere Gewichtskräfte, die auf das Antriebselement 64 insbesondere in einer Richtung auf die Antriebseinheit 62 zu wirken, zu minimieren, vollständig zu eliminieren oder auch überzukompensieren, d.h. eine größere Kraft als die auf das Antriebselement 64 einwirkenden Lastkräfte zu generieren, und zwar im Wesentlichen in einer zu der Richtung der Lastkräfte entgegengesetzten Richtung. So können nachteilige Effekte aufgrund von Montageorientierungen des Positioniermoduls 1 (beispielsweise stehend, von einer Decke hängend oder an eine Wand hängend) verringert oder sogar eliminiert werden. Dies ist insbesondere bei solchen Positioniermodulen von Vorteil, deren Antriebseinheit bzw. Antriebseinheiten keine oder nur eine geringe Selbsthemmung aufweist bzw. aufweisen, so dass zum Halten einer bestimmten Position des Antriebselements 64 bei Einwirken äußerer Kräfte auf dieses Energie aufgebracht werden muss, so dass eine Verlustleistung resultiert, die zu einer ungewünschten Erwärmung des Positioniermoduls 1 führen kann. Besondere Bedeutung kommt der Selbsthemmung bei einem Wegfall der Energiequelle zum Antreiben des Antriebselements 64 zu.
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An jedem der beiden Antriebselemente 64 ist eine erste Gelenkvorrichtung 5' angeordnet, welche eine Kombination aus einem Kardangelenk 52' und einem Drehgelenk 54' darstellt, wobei beide Gelenke derart ausgebildet sind, dass sich bei einer Gelenkbewegung Lagerflächen bzw. entsprechende Abschnitte der Gelenke gegeneinander bewegen und es sich sozusagen um klassische bzw. konventionelle Gelenkelemente handelt. Es ist ebenso denkbar, für jede Gelenkvorrichtung 5' ausschließlich ein Kardangelenk vorzusehen. Zudem kann eine bzw. jede Gelenkvorrichtung 5' auch andere Gelenkformen umfassen, beispielsweise ein Kugelgelenk, bzw. Kombinationen von unterschiedlichen Gelenkformen.
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An jede der Gelenkvorrichtungen 5' schließt sich ein im Wesentlichen zylinderförmiges Beinelement 4 an, welches rein passiv und längenkonstant bzw. längenunveränderlich ist. Die beiden Beinelemente 4 bilden zusammen ein Beinpaar 40, und durch die beiden Zentralachsen der Beinelemente 4 wird eine entsprechende Beinpaarebene aufgespannt.
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An dem der Basis abgewandten Ende eines jeden Beinelements 4 schließt sich eine zweite Gelenkvorrichtung 5 an, die jeweils als Kardangelenk 52 aufgebaut, welches identisch zu dem Kardangelenk 52' der Gelenkvorrichtung 5' des gleichen Beinelements 4 ausgebildet ist. Abweichend zu der ersten Gelenkvorrichtung 5' weist die zweite Gelenkvorrichtung 5 des gleichen Beinelements 4 kein Drehgelenk auf.
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Die Gelenkvorrichtungen 5 sind in 1 teilweise bzw. vollständig durch das an diesen angeordnete Positionierelement 3 verdeckt und daher nur schlecht bzw. gar nicht zu erkennen. Zur besseren Erkennbarkeit wird hierzu auf 2 verwiesen. Während sich wie vorstehend erläutert die Gelenkvorrichtungen 5, 5' eines Beinelements darin voneinander unterscheiden, dass die Gelenkvorrichtung 5' sowohl ein Kardan-, als auch ein Drehgelenk aufweist, während die Gelenkvorrichtung 5 nur ein Kardangelenk aufweist, ist es denkbar, dass die Gelenkvorrichtungen 5, 5' eines Beinelements 4 vollkommen identisch zueinander ausgebildet sind. Es ist weiterhin denkbar, dass sich die Gelenkvorrichtungen 5 von den Gelenkvorrichtungen 5' neben der Art in Form, Größe und Material unterscheiden. Ferner ist denkbar, für die Gelenkvorrichtungen 5, 5' andere Gelenkarten wie etwa ein Kugelgelenk zu verwenden.
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Durch die an beiden Endabschnitten jedes Beinelements 4 angeordneten Gelenkvorrichtungen 5 und 5' kann jedes Beinelement 4 sowohl Verkippungen um zwei senkrecht zueinander angeordnete Rotationsachsen, als auch Rotationen um seine senkrecht zu den beiden für die Verkippung zuständigen Rotationsachsen angeordnete Längsachse vollführen.
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Mit den beiden Gelenkvorrichtungen 5 verbunden ist ein im Wesentlichen plattenförmiges und ebenes Positionierelement 3, welches mit Bohrungen bzw. Gewindebohrungen zur Befestigung eines mittels des Positioniermoduls zu positionierenden Elements daran versehen ist. Für die Positionierung bzw. Verstellung des Positionierelements 3 wird entweder die eine oder die andere Antriebseinheit 62 oder aber beide Antriebseinheiten 62 zusammen angesteuert, so dass entweder nur eines der beiden Antriebselemente 64 eine Linearbewegung vollführt oder beide Antriebselemente 64 gemeinsam eine Linearbewegung vollführen, deren Richtungen gleichsinnig oder entgegengesetzt zueinander sein können. Durch die Linearbewegungen der Antriebselemente 64 erfolgen entsprechende Bewegungen der damit verbundenen Gelenkvorrichtungen 5, so dass die jeweiligen und mit den Gelenkvorrichtungen 5 verbundenen Endabschnitte der Beinelemente bewegt werden. Man spricht in diesem Zusammenhang auch von einer Fußpunktbewegung der Beinelemente 4. Da die Beinelemente 4 längenkonstant bzw. längenunveränderlich sind, bleibt bei der resultierenden Bewegung der Beinelemente 4 der Abstand der daran an beiden Endabschnitten angeordneten Gelenkelemente 5, 5' ebenfalls konstant.
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2 ist nahezu identisch mit 1; der einzige Unterschied besteht darin, dass in 2 bei dem Positioniermodul das Positionierelement 3 weggelassen wurde, um dadurch die Gelenkvorrichtungen 5 besser erkennen zu können. Wegen der ansonsten bestehenden Identität der 1 und 2 wird auf die Beschreibung der Merkmale in 2 verzichtet und auf die Beschreibung zu 1 verwiesen.
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3 zeigt ein einzelnes Antriebsmodul 6 des Positioniermoduls nach 1 bzw. 2. Hierbei ist die Antriebseinheit 62 des Antriebsmoduls 6 mittels in 3 nicht erkennbarer Schrauben fest mit einer Basisplatte 22 verbunden, welche ihrerseits mittels Schrauben fest mit der Basis 2 verbunden ist. Das durch die Antriebseinheit 62 in Form eines 1-phasigen VCM linear bewegte Antriebselement 64 ist über einen Verbindungsabschnitt 64-1 mit einem Kraftkompensationsmodul 72 einer Kraftkompensationseinrichtung 7 gekoppelt, wobei das Kraftkompensationsmodul 72 fest mit der Basisplatte 22 verbunden ist. Das Kraftkompensationsmodul 72 umfasst eine hohlzylinderförmige Hülse 722 aus einem magnetisch leitenden Metall, an deren Innenumfangsfläche bzw. Innenwand zwei entlang der Umfangsrichtung versetzt und gegenüberliegend zueinander angeordnete Permanentmagnete 726 in Form von Schalensegmenten bzw. Hohlzylindersegmenten vorgesehen sind, wobei jedes Hohlzylindersegment im Wesentlichen einen Kreiswinkel von 90° aufspannt. Es ist denkbar, Schalen- bzw. Hohlzylindersegmente zu verwenden, die einen von 90° abweichenden Kreiswinkel aufspannen. Zudem ist denkbar, mehr als zwei Schalen- oder Hohlzylindersegmente aus einem permanentmagnetischen Werkstoff zu verwenden.
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In den durch die Schalensegmente innerhalb der Hülse 722 gebildeten im Wesentlichen zylinderförmigen Hohlraum taucht ein an zwei gegenüberliegenden Seiten abgeflachter zylindrischer Stab 724 aus einem permanentmagnetischen Material teilweise ein, wobei der Stab 724 mit dem Verbindungsabschnitt 64-1 des Antriebselements 64 fest verbunden und mit diesem bewegt ist.
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Aufgrund der magnetischen Wechselwirkung zwischen den Permanentmagneten 726 und dem darin teilweise eintauchenden bzw. abschnittsweise dazwischen angeordneten Stab 724 entsteht eine Kraft, die je nach Orientierung der Permanentmagnete 726 und des Stabs 724 zueinander entweder in einer Richtung auf die Basisplatte 22 zu oder in einer Richtung von der Basisplatte weg weist. Über die vorstehend erwähnte Orientierung der Permanentmagnete 726 und des Stabs 724 zueinander, welche einstellbar ist und auf deren Einstellbarkeit weiter unten noch näher eingegangen wird, kann je nach Anwendungsfall und damit abhängig von der räumlichen Orientierung bzw. Ausrichtung des jeweiligen Antriebsmoduls 6 bzw. der Antriebseinheit 62 dafür gesorgt werden, dass etwa Gewichtskräfte, die über das Antriebselement 64 auf die Antriebseinheit 62 wirken, verringert, aufgehoben oder sogar überkompensiert werden.
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Es ist nicht zwingend erforderlich, für die in die Hülse 722 eingesetzten Elemente Permanentmagnete 726 zu verwenden; denkbar sind hierfür auch solche Elemente, die aus magnetisierbaren Materialien bestehen. Umgekehrt kann bei Verwendung von Permanentmagneten 726 innerhalb der Hülse 722 der Stab 724 aus einem magnetisierbaren Material gefertigt sein.
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Das Antriebselement 64 ist an der dem Verbindungsabschnitt 64-1 gegenüberliegenden Seite mit einem Führungsschlitten 82 einer Führungsvorrichtung 8 in Form einer kugelumlaufenden Linearführung verbunden. Der feststehende Teil der Führungsvorrichtung 8 ist hierbei an einer Führungsbasis 84 angebracht, die ihrerseits an der Basisplatte 22 befestigt und im Wesentlichen senkrecht zu dieser ausgerichtet ist. In entsprechender Weise ist die Führungsvorrichtung 8 im Wesentlichen senkrecht zur Basisplatte 22 angeordnet, so dass der Führungsschlitten 82 beweglich gelagert und lineargeführt entlang einer Richtung ist, die im Wesentlichen senkrecht zu der Basisplatte 22 angeordnet ist. Somit ist auch das mit dem Führungsschlitten 82 verbundene Antriebselement 64 entsprechend lineargeführt.
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Es ist denkbar, anstatt einer Führungsvorrichtung 8 in Form einer kugelumlaufenden Linearführung andere Arten von Linearführungen zu verwenden; hierunter fallen beispielsweise kreuzrollengeführte Linearführungen, Gleitführungen, hydrodynamische Führungen, luftgelagerte Führungen oder magnetisch gelagerte Führungen.
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Die Position des Antriebselements 64 kann z.B. indirekt über die Messung der Position des Führungsschlittens 82 mittels geeigneter Sensoren erfolgen, aber auch eine direkte Messung der Position des Antriebselements 64 ist möglich. Für diese direkten oder indirekten Positionsmessungen sind beispielsweise inkrementelle oder absolute Encoder denkbar. Über die so gemessene Position des Antriebselements bzw. der Antriebselemente lässt sich die Position des Positionierelements 3 bestimmen. Es ist jedoch ebenso möglich, die Position und Lage des Positionierelements durch direkte Messung an dem Positionierelement zu bestimmen, etwa mittels Interferometer.
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Ein Teil der Sensorik kann hierbei an einer Leiterplatte 9 angeordnet sein, die an der Führungsbasis 84 und dem Führungsschlitten 82 gegenüberliegend angeordnet ist. Die Leiterplatte 9 kann darüber hinaus Leistungselektronik wie etwa den Treiber für die Antriebsvorrichtung 62 sowie weitere elektronische Bauteile oder Module, etwa den Controller für die Antriebseinheit oder auch der Kommunikation dienende Elemente enthalten. Durch die Anordnung der Leiterplatte an der Führungsbasis 84 gelingt eine integrale und raumreduzierende Bauweise des Antriebsmoduls 6 und damit auch des Positioniermoduls 1.
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Es ist denkbar, die Leiterplatte 9 an einer anderen Stelle als der Führungsbasis 84 des Antriebsmoduls 6 anzuordnen, beispielsweise in dem in der Basis 2 zur Unterbringung der Antriebsmodule 6 vorgesehenen Ausnehmung bzw. Aussparung. Zudem ist denkbar, auf der Leiterplatte 9 nur die Leistungselektronik unterzubringen, während eine Kommunikationselektronik auf einer anderen Leiterplatte bzw. Platine untergebracht ist, und diese andere Leiterplatte auch an einer anderen Stelle des Positioniermoduls angeordnet ist. Generell ist es bevorzugt, die Leistungselektronik so weit entfernt wie möglich von der Antriebseinheit bzw. den Antriebseinheiten 62 an bzw. in der Basis 2 anzuordnen. Dies hat den Vorteil, dass in der Leistungselektronik entstehende Wärme über die Basis 2 abgeleitet werden kann und somit nicht in die Antriebseinheit bzw. Antriebseinheiten 62 eingeleitet wird, was sich positiv auf die Positioniergenauigkeit auswirkt.
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4 zeigt in einer perspektivischen Darstellung ein einzelnes Antriebsmodul 6 für ein erfindungsgemäßes Positioniermodul mit einer alternativen Ausführungsform für die Kraftkompensationseinrichtung 7. Da das in 4 gezeigte Antriebsmodul 6 sehr ähnlich zu dem in 3 gezeigten ist, wird im Folgenden nur auf die spezifischen Unterschiede im Vergleich mit 3 eingegangen.
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Die Kraftkompensationseinrichtung 7 weist hier - im Gegensatz zum Antriebsmodul gemäß 3 - zwei Kraftkompensationsmodule 72 auf, die beabstandet und parallel zueinander angeordnet sind, wobei die jeweilige Hülse 722 im Querschnitt betrachtet eine quadratische Außenkontur aufweist und insgesamt säulenförmig ist. Die Verwendung zweier Kraftkompensationsmodule 7 erlaubt gegenüber der Verwendung nur eines identisch ausgebildeten Kraftkompensationsmoduls die Kompensation größerer Kräfte. Die Verwendung von zwei oder mehr Kraftkompensationsmodulen kann aber auch aus Platzgründen sinnvoll sein, da dann jedes Kraftkompensationsmodul kleiner ausgeführt sein kann. Bei der Verwendung von mehr als einem Kraftkompensationsmodul 7 ist denkbar, dass nur ein Kraftkompensationsmodul bzw. nur ein Teil der Kraftkompensationsmodule 7 einstellbar hinsichtlich der Kompensationskraft ist, während das andere bzw. die anderen Kraftkompensationsmodul(e) eine konstante und nicht variierbare Kompensationskraft ausübt.
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Im Inneren weist jede Hülse 722 zwei versetzt und zueinander gegenüberliegend angeordnete Permanentmagneten 726 in Form von Schalen- oder Hohlzylindersegmenten auf, die jeweils einen Kreiswinkel von im Wesentlichen 90° aufspannen bzw. sich jeweils über einen Kreiswinkel von 90° erstrecken. Hierbei sind die beiden Permanentmagnete 726 eines Kraftkompensationsmoduls 72 um im Wesentlichen 90° versetzt zu den Permanentmagneten 726 des jeweils anderen Kraftkompensationsmoduls 72 angeordnet.
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Das im Wesentlichen plattenförmige Antriebselement 64 ist jeweils über eine Schraubverbindung mit dem Stab 724 des jeweiligen Kraftkompensationsmoduls 72 fest verbunden.
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5 zeigt eine perspektivische Darstellung des Antriebsmoduls nach 3, jedoch aus einer unterschiedlichen Blickrichtung, so dass die Unterseite der Basisplatte 22 mit entsprechenden Details zu erkennen ist, welche in 3 nicht zu sehen sind. Im Folgenden wird nur auf diese Unterschiede eingegangen und im Hinblick auf die verbleibenden Merkmale auf die Beschreibung zu 3 verwiesen.
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Das Kraftkompensationsmodul 72 weist eine Einstelleinrichtung 728 auf, welche im Wesentlichen zwei teilkreisförmige und spiegelbildlich zueinander angeordnete Ausnehmungen 222 der Basisplatte 22 umfasst. In einer der beiden Ausnehmungen ist der Kopf einer Schraube 728-1 angeordnet, der an einem Stegabschnitt innerhalb der entsprechenden Ausnehmung 222 anliegt und sich daran abstützt. Die entsprechende Schraube 728-1, welche mit der Hülse 722 zusammenwirkt, dient deren Fixierung in ihrer gewünschten Orientierung bzw. Lage. Hierbei kann der Kopf der Schraube 728-1 bei gelöster Schraubverbindung entlang der jeweiligen Ausnehmung und durch diese geführt verschoben werden, wodurch gleichzeitig die Hülse 722 bewegt bzw. verdreht wird, und sobald die gewünschte Drehverstellung bzw. Orientierung der Hülse 722 und der in der Hülse angeordneten Permanentmagnete erreicht ist, erfolgt durch Festziehen der Schraube 728-1 eine Fixierung der Hülse 722 und damit die Fixierung der Lage der Permanentmagnete gegenüber dem in die Hülse 722 eintauchenden Stab 724. Über die gegenseitige Lage der Permanentmagnete und des Stabs 724 lässt sich eine definierte Zug- oder Druckkraft einstellen, die aufgrund der festen Verbindung des Stabs 724 mit dem Antriebselement 64 auf diese einwirkt und entsprechend der eingestellten Kraftrichtung das Antriebselement 64 - im Falle einer Zugkraft - in einer Richtung auf die Antriebseinheit 62 bzw. in einer Richtung auf die Basisplatte 22 zu zieht oder das Antriebselemente 64 - im Falle einer Druckkraft - in einer von der Antriebseinheit 62 bzw. von der Basisplatte 22 weg weisenden Richtung drückt.
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Es sind andere Arten der Einstellung der Kompensationskraft eines Kraftkompensationsmoduls 7 denkbar. Die Einstellung kann gemäß 5 von der Rückseite her oder gemäß 4 von der Vorderseite her vorgenommen werden. Zudem kann gemäß 5 die Hülse 722 verdreht werden oder gemäß 4 der Stab 724. Es ist zudem denkbar, einen Drehmotor zu integrieren, der den Stab 724 oder die Hülse 722 bewegen kann. Der Drehmotor kann dann beispielsweise als Eingang den Motorstrom eines VCM bekommen und damit den Stab oder die Hülse solange drehen, bis der Motorstrom des VCM minimiert ist.
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6 zeigt in einer perspektivischen Darstellung das vereinzelte Beinelement 4 des Positioniermoduls 1 nach 1 oder 2 mit den daran angeordneten Gelenkvorrichtungen 5 und 5'. Während die für die Anordnung an dem Antriebselement vorgesehene Gelenkvorrichtung 5' eine Kombination aus einem Kardangelenkt 52' und einem Drehgelenk 54' aufweist, umfasst die für die Verbindung mit dem Positionierelement 3 vorgesehene Gelenkvorrichtung 5 lediglich ein Kardangelenk 52. Es ist jedoch denkbar, dass auch die Gelenkvorrichtung 5 zusätzlich ein Drehgelenk aufweist, so dass ein spiegelbildlicher Aufbau der Gelenkvorrichtungen 5 und 5' an dem Beinelement 4 vorliegt. Wie bereits erwähnt, können für eine der Gelenkvorrichtungen 5, 5' oder für beide Gelenkvorrichtungen 5, 5' eines Beinelements 4 andere Gelenktypen zum Einsatz kommen, beispielsweise Kugelgelenke.
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7 zeigt in einer perspektivischen Darstellung ein Beinelement 4 für ein erfindungsgemäßes Positioniermodul, bei dem die daran angeordneten Gelenkvorrichtungen in Form von Festkörpergelenken vorliegen. Die Gelenkvorrichtung 5 ist als Kardangelenk 52 ausgeführt und umfasst zwei Festkörperdrehgelenke 522, deren Achsen sich in einem rechten Winkel kreuzen. Die Gelenkvorrichtung 5' hingegen umfasst neben einem Kardangelenk 52', das identisch zu dem Kardangelenk 52 aufgebaut ist, ein als Festkörpergelenk ausgeführtes Drehgelenk 54', welches sich in einer Richtung auf das Kardangelenk 52 zu an das Kardangelenk 52' anschließt.
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Eine Positioniervorrichtung 100 mit insgesamt drei Positioniermodulen 1 gemäß 1 in Form eines Hexapoden bzw. eines Hexapod-Würfels zeigt 8. Jedes der drei Positioniermodule 1 weist zwei ein Beinpaar bildende Beinelemente 4 auf. Hierbei sind die Positioniermodule 1 derart zueinander angeordnet, dass jeweils ein Beinpaar durch ein anderes Beinpaar hindurchragt und jedes Beinpaar senkrecht zu den jeweils anderen Beinpaaren angeordnet ist.
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Das jeweilige einem Beinpaar zugeordnete Positionierelement 3 entspricht einer Plattform mit einer im Wesentlichen ebenen Plattformfläche, wobei die Plattform bzw. die Plattformfläche im Wesentlichen senkrecht zu den Beinelementen 4 des jeweiligen Positioniermoduls 1 angeordnet ist.
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Jedes der insgesamt drei Positionierelemente 3 ist mit den beiden jeweils anderen Positionierelementen 3 derart verbunden, dass die drei Positionierelemente 3 zusammen einen Positionierkörper 110 bilden, bei dem jede der Plattformflächen im Wesentlichen senkrecht zu den beiden jeweils anderen Plattformflächen angeordnet ist und somit einen Teil eines Würfels bzw. Hohlwürfels bildet. Aufgrund der Anordnung der Positioniermodule 1 zueinander und des Aufbaus jedes einzelnen Positioniermoduls 1 resultieren sechs Bewegungsfreiheitsgrade für den Positionierkörper 110.
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Die drei Positioniermodule 1 sind so zueinander angeordnet, dass sie bzw. ihre Basen 2 gemeinsam einen würfelartigen Basiskörper 120 bilden, der eine im Wesentlichen würfelförmige Aussparung 130 in einer seiner Ecken aufweist, Innerhalb dieser Aussparung 130 ist der teilwürfelförmige Positionierkörper 110 derart angeordnet, dass der teilförmige Positionierkörper 110 die Aussparung 130 so ausfüllt, dass er den würfelartigen Basiskörper 120 nahezu zu einem vollständigen Würfel bzw. Hexapod-Würfel ergänzt, wobei die jeweils entsprechenden Kanten des Basiskörpers 120 und des Positionierkörpers 110 parallel zueinander verlaufen bzw. die entsprechenden Kanten des Positionierkörper 110 einer Verlängerung der jeweiligen Kanten des Basiskörpers 120 entsprechen.
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Mit anderen Worten bildet der Positionierkörper 110 einen kleineren Würfel bzw. die Konturen eines kleineren Würfels, der in einem Eckpunkt des größeren würfelartigen Basiskörpers 120 angeordnet ist. Durch die daraus resultierenden identischen Kantenlängen des sich aus der Kombination des Positionierkörpers 110 und des Basiskörpers 120 ergebenden Würfels bzw. Hexapod-Würfels folgt eine absolute Symmetrie. Dadurch wird erreicht, dass auch der Bewegungsbereich des Positionierkörpers 110, der an einer Kante des Würfels beginnt, in alle Richtungen gleich groß ist. Der Arbeitspunkt, auch Pivot-Punkt genannt, liegt somit an einer Ecke des Hexapod-Würfels. Dies bietet zahlreiche Vorteile gegenüber einem Hexapoden, bei dem sich der Arbeitspunkt im Zentrum der Arbeitsplattform befindet, wie dies weiter oben bereits beschrieben wurde.
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Der symmetrische Aufbau des Hexapod-Würfels ermöglicht jegliche Montage, etwa hängend, stehend etc., ohne Einschränkungen beim Zugang, beim Arbeitsbereich usw. So ist es beispielsweise möglich, mehrere solcher Hexapod-Würfel miteinander zu verschrauben bzw. so dicht nebeneinander zu platzieren, dass alle Hexapod-Würfel auf das gleiche Werkstück einwirken können. Weiterhin besitzt der Hexapod aufgrund der Symmetrie drei identische, um 90° zueinander versetzte Arbeitsflächen, an die beliebige Werkzeuge montiert werden können.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Positioniermodul
- 2
- Basis
- 22
- Basisplatte
- 222
- Ausnehmungen (der Basisplatte 22)
- 3
- Positionierelement
- 4
- Beinelement
- 5, 5'
- Gelenkvorrichtung
- 52, 52'
- Kardangelenk (der Gelenkvorrichtung 5, 5')
- 522, 522'
- Festkörperdrehgelenk (des Kardangelenks 5, 5')
- 54, 54'
- Drehgelenk (der Gelenkvorrichtung 5, 5')
- 6
- Antriebsmodul
- 62
- Antriebseinheit (des Antriebsmoduls 6)
- 64
- Antriebselement (der Antriebseinheit 62)
- 64-1
- Verbindungsabschnitt (des Antriebselements 64)
- 7
- Kraftkompensationseinrichtung
- 72
- Kraftkompensationsmodul (der Kraftkompensationseinrichtung 7
- 722
- Hülse (des Kraftkompensationsmoduls 72)
- 724
- Stab (des Kraftkompensationsmoduls 72)
- 726
- Permanentmagnete (des Kraftkompensationsmoduls 72)
- 728
- Einstelleinrichtung (des Kraftkompensationsmoduls 72)
- 728-1
- Schraube (der Einstelleinrichtung 728)
- 8
- Führungsvorrichtung
- 82
- Führungsschlitten (der Führungsvorrichtung 8)
- 84
- Führungsbasis (der Führungsvorrichtung 8)
- 9
- Leiterplatte
- 100
- Positioniervorrichtung
- 110
- Positionierkörper (der Positioniervorrichtung 100)
- 120
- Basiskörper (der Positioniervorrichtung 100)
- 130
- Aussparung (des Basiskörpers 120)
