DE10244867B4

DE10244867B4 - Einrichtung zum Positionieren eines Körpers

Info

Publication number: DE10244867B4
Application number: DE2002144867
Authority: DE
Inventors: Eckart Prof. Dr.-Ing. Uhlmann; Erdmann Dipl.-Ing. Schäper; Nayim Dipl.-Ing. Bayat
Original assignee: Technische Universitaet Berlin
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2002-09-23
Filing date: 2002-09-23
Publication date: 2004-12-30
Anticipated expiration: 2022-09-24
Also published as: DE10244867A1

Abstract

Einrichtung zum Positionieren eines Körpers (2) mit Mitteln zum Bewegen des Körpers (2) in eine Mehrzahl unterschiedlicher Positionen, wobei
– die Mittel zum Bewegen und Positionieren des Körpers (2) eine magnetische Flüssigkeit (M) umfassen, die mit mindestens einem magnetischen Element (E1, E2, E3, E4, P, P1, P2, P3) zusammenwirkt,
– die magnetische Flüssigkeit (M) in einem Behälter (1) vorgesehen ist, der Körper (2) auf der magnetischen Flüssigkeit (M) schwimmt und keinen Festkörperkontakt zum Behälter (1) aufweist,
– das mindestens eine magnetische Element (E1, E2, E3, E4, P, P1, P2, P3) derart auf die magnetische Flüssigkeit (M) einwirkt, dass der Körper (2) auf Grund einer Änderung der räumlichen Verteilung der magnetischen Flüssigkeit (M) durch Verdrängung oder Mitschleppen in eine angestrebte Position bewegt wird,
– wobei sich bei Verdrängung der Körper (2) und die magnetische Flüssigkeit (M) in entgegengesetzte Richtungen bewegen,
– wobei beim Mitschleppen des...

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Positionieren eines Körpers nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie ein Verfahren zum Positionieren eines Körpers nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 16.
Eine derartige Einrichtung umfasst insbesondere eine Anordnung zum Bewegen des Körpers in eine Mehrzahl unterschiedlicher Positionen sowie zum Fixieren des Körpers in einer der Positionen. Sie soll eine hochgenaue Bewegung eines Körpers in eine vorgegebene Position und eine anschließende Fixierung des Körpers in genau dieser Position ermöglichen, so dass insgesamt eine präzise Positionierung eines Körpers mit hoher Genauigkeit erreicht werden kann.
Es ist bekannt, zur präzisen Positionierung eines Körpers Piezoaktuatoren zu verwenden, die jedoch nur über begrenzte Stellwege verfügen. Daher ist häufig ein zusätzliches Positioniersystem, z. B. in Form eines Linearschlittens erforderlich, mit dem der zu positionierende Körper zunächst grob vorpositioniert wird, bevor die abschließende hochgenaue Positionierung mittels eines Piezoaktuators erfolgt. Um bei dem bekannten System eine hinreichende Nachgiebigkeit und Dämpfung zu erreichen, werden in der Regel Federn und Dämpfungselemente als weitere Baugruppen benötigt. Eine Anordnung zur Positionierung eines Körpers mittels Piezoaktuatoren hat daher den Nachteil, dass sie aufgrund einer Vielzahl erforderlicher Komponenten hohe Kosten verursacht und zudem ein entsprechend großes Bauvolumen benötigt.

Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine neue, verbesserte Einrichtung zum Positionieren eines Körpers zu schaffen.

Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch die Schaffung einer Einrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Danach umfassen die Mittel zum Bewegen und Positionieren des Körpers eine magnetische Flüssigkeit, die mit mindestens einem magnetischen Element zusammenwirkt.

Unter einer magnetischen Flüssigkeit (Magnetofluid) wird hier allgemein eine Flüssigkeit verstanden, die unter Einwirkung eines äußeren Magnetfeldes magnetisierbar ist und die bei Variationen des äußeren Magnetfeldes ihre räumliche Verteilung bzw. Dichte und Form ihrer freien Oberfläche ändert, sofern hierfür Raum zur Verfügung steht. Der Begriff „magnetische Flüssigkeit" umfasst demnach nicht nur Ferrofluide, sondern auch beliebige andere magnetisierbare Flüssigkeiten, die die vorgenannten Bedingungen erfüllen, wie z. B. magnetorheologische Flüssigkeiten.

Eine zusammenfassende Beschreibung der Eigenschaften magnetischer Flüssigkeiten findet sich in R.E. Rosenzweig: Ferrohydrodynamics, Cambridge Univerity Press, Cambridge (1985) und Berkowski. B.: Magnetic Fluids And Applications Handboock, Bogel House, New York 1996.

Bekannte Anwendungen derartiger magnetischer Flüssigkeiten betreffen beispielsweise die Bildung von Pumpen, insbesondere Blutpumpen, vergleiche US-PS 4,650,485, DE 196 09 281 C1 und DE 198 42 848 A1 , die Bildung eines formbaren Membranspiegels, vergleiche DE 196 15 809 A1 , sowie die Bildung eines Spannsystems für Werkstücke, vergleiche US 6,267,364 B1 .

Eine weitere Anwendung einer magnetischen Flüssigkeit ist aus DE 196 41 737 A1 bekannt, in der eine Vorrichtung zur Levitatation von nicht magnetischen Festkörper-, Gas- und/oder Flüssigkeitsvolumina beschrieben wird, bei der einem umschlossenen Raum, der eine magnetische Flüssigkeit enthält, Magnete so zugeordnet sind, dass im Innern des Raumes mindestens ein freischwebender Freiraum gebildet wird , der ein Festkörper-, Gas- und/oder Flüssigkeitsvolumen enthält und nicht von der magnetischen Flüssigkeit gefüllt ist und der in einer vorbestimmten Position gehalten und bei einer Verlagerung des Freiraums in diese gedrückt wird.

Aus JP 63259235 A (Patent Abstracts of Japan) ist ein Dämpfer für eine magnetische Flüssigkeit zur Reduktion von Vibrationen bei der Herstellung von CD's bekannt.

Des weiteren ist aus DE 43 07 730 A1 ein Verfahren zum Transport und zum Positionieren mikromechanischer Teilchen bekannt, bei dem ein mikromechanisches Teilchen auf die Oberfläche einer ruhenden Flüssigkeit aufgebracht und dort aufgrund der Oberflächenspannung gehalten wird und bei dem das mikromechanische Teilchen äußeren Kräften ausgesetzt wird, mittels derer es auf der Oberfläche der Flüssigkeit auf einer vorbestimmten Bahn transportiert wird.

Die erfindungsgemäße Lösung gestattet eine hochpräzise Bewegung und Positionierung von Objekten (im μm-Bereich) in einem vergleichsweise großen Stellbereich (einige 10 mm) und gewährleistet dabei gleichzeitig eine hinreichende Dämpfung und Nachgiebigkeit des Systems aufgrund der Dämpfungseigenschaften der magnetischen Flüssigkeit selbst.

Die erfindungsgemäße Lösung beruht auf dem Prinzip, dass magnetische Flüssigkeiten von magnetischen Feldern angezogen werden, wobei die Menge der angezogenen Flüssigkeit (begrenzt durch die Sättigungsmagnetisierung) von der Stärke des angelegten Magnetfeldes abhängt. Ferner wird eine magnetische Flüssigkeit nicht nur durch eine Änderung, sondern auch durch eine Bewegung eines Magnetfeldes beeinflusst, wobei sich die magnetische Flüssigkeit gemeinsam mit dem Magnetfeld bewegt. (Eine Bewegung eines Magnetfeldes wird im Folgenden als unter dem Begriff „Änderung eines Magnetfeldes" fallend verstanden. Denn eine Bewegung eines Magnetfeldes kann als Änderung des Magnetfeldes an den entsprechenden Stellen im Raum aufgefasst werden.)

Ausgehend von den vorstehend beschriebenen physikalischen Prinzipien kann ein in oder auf einem Magnetofluid befindliches Objekt gezielt durch Änderung der Stärke oder der Richtung eines Magnetfeldes bzw. durch ein wanderndes Magnetfeld aufgrund von Verdrängung oder durch Mitschleppen in eine bestimmte vorgegebene Position bewegt werden. (Ferner kann die Oberflächenformänderung einer magnetischen Flüssigkeit bei Variation des äußeren magnetischen Feldes genutzt werden.) Die Fixierung des Objektes in der entsprechenden Position erfolgt dadurch, dass das magnetische System schließlich einen Gleichgewichtszustand einnimmt, in dem sich die magnetische Flüssigkeit unter den jeweiligen Randbedingungen, insbesondere in Abhängigkeit von dem äußeren Magnetfeld, im Zustand niedrigster Energie befindet. Diesem Zustand des magnetischen System entspricht eine bestimmte Position des auf oder in der magnetischen Flüssigkeit vorgesehenen Objektes, das demnach in dieser Position fixiert ist. (Die im Folgenden verwendeten Begriffe „Position", „Orientierung", „Lage" und „räumliche Anordnung" sind jeweils in VDI 2860 definiert.)

Es geht hier also nicht nur darum, einen Körper in einer bestimmten Position zu fixieren, sondern mit der erfindungsgemäßen Einrichtung zum Positionieren eines Körpers wird vielmehr erreicht, dass der zu positionierende Körper in eine beliebige aus einer Vielzahl unterschiedlicher Positionen bewegt werden kann, wobei es sich insbesondere um ein Kontinuum unterschiedlicher Positionen handeln kann, und der zu positionierende Körper danach in der zuvor ausgewählten Position fixiert wird.

Ein derartiges magnetofluidisches Positioniersystem besitzt eine durch das äußere Magnetfeld variierbare Nachgiebigkeit und Dämpfung. Insbesondere ist bei magnetischen Flüssigkeiten die Viskosität in der Regel von dem auf die Flüssigkeit einwirkenden Magnetfeld abhängig. Ferner kann das Positioniersystem bis zu sechs Bewegungsfreiheitsgrade aufweisen, wodurch komplizierte Stellbewegungen bei gleichzeitig kompakter Bauform ermöglicht werden.

Die jeweilige Position des zu positionierenden Körpers kann mit einem Messsystem, z. B. einem optischen oder kapazitiven Messsystem, erfasst und zur Steuerung bzw. Regelung des magnetofluidischen Positioniersystems verwendet werden. Das hierfür erforderliche Messsystem kann wahlweise in das Positioniersystem integriert oder außerhalb des Positioniersystems angeordnet sein.

Der von der magnetischen Flüssigkeit aufgenommene Körper kann auf dieser schwimmen, also nur teilweise von dem die magnetische Flüssigkeit bildenden Medium umgeben sein, oder in der magnetischen Flüssigkeit schweben, d. h. vollständig von dem entsprechenden Medium umgeben sein. Der Körper kann dabei eine beliebige geometrische Form haben; es kann sich beispielsweise um einen Aktor, einen Objektträger, eine Objektplattform oder einen sonstigen Gegenstand handeln.

Die magnetische Flüssigkeit ist vorzugsweise in einem Behälter angeordnet, wobei durch das von dem mindestens einen magnetischen Element erzeugte magnetische Feld die räumliche Verteilung der magnetischen Flüssigkeit in dem Behälter derart beeinflussbar ist, dass sich der zu positionierende Körper in die angestrebte Position bewegt. Der Körper ist dabei vorzugsweise derart schwimmend oder schwebend in der magnetischen Flüssigkeit aufgenommen, dass er keinen Festkörperkontakt zum Behälter (Stator) aufweist. Dies ermöglicht eine reibungsarme stick-slip-freie Positionierung des Körpers. Reibungsverluste entstehen lediglich durch die Flüssigkeitsreibung des Magnetofluids. Statische und dynamische Dichteunterschiede des Magnetofluids unterstützen hierbei durch Auftriebswirkung die Trennung des Körpers (Rotor) vom Behälter (Stator) sowie die Positionierbewegung.

Der Körper kann durch Veränderung des Magnetfeldes in der den Körper aufnehmenden magnetischen Flüssigkeit entlang einer oder mehrerer Raumrichtungen bewegt werden, wobei jedem Freiheitsgrad der Bewegung mindestens ein magnetisches Element zugeordnet ist. Es sind also einachsige oder mehrachsige translatorische sowie rotatorische Bewegungen und Kombinationen hieraus möglich. Bei Verwendung mehrerer magnetfelderzeugender Elemente für eine Bewegung entlang eines Freiheitsgrades, können sich diese bei der Bewegungserzeugung verstärkend unterstützen bzw. durch entgegengesetzte Wirkung eine gewisse Vorspannung in dem System erzeugen.

Bei Verwendung eines Permanentmagneten zur Erzeugung des auf die magnetische Flüssigkeit einwirkenden magnetischen Feldes lässt sich eine Variation des Magnetfeldes durch Änderung des Abstandes oder der Orientierung des magnetischen Elementes bezüglich der magnetischen Flüssigkeit, durch Änderung der Anzahl der magnetischen Elemente sowie durch Formänderung (Verwendung von Feldformern) erreichen. Das erforderliche Magnetfeld kann durch Kombination gleichartiger sowie unterschiedlicher magnetischer Elemente erzeugt und variiert werden.

Bei Verwendung eines Elektromagneten zur Felderzeugung können darüber hinaus die Spannung bzw. der Strom in den Windungen des Elektromagneten, die Geometrie des Elektromagneten (z. B. Hinsichtlich des Querschnittes und der Anzahl der Windungen) sowie der verwendete Kern des Elektromagneten verändert werden.

Darüber hinaus kann die Stärke des in der magnetischen Flüssigkeit wirkenden Magnetfeldes auch durch Zwischenschaltung von Materialien mit unterschiedlicher magnetischer Induktion erfolgen.

Das magnetische Positioniersystem kann darüber hinaus Mittel aufweisen, die zur Führung des zu positionierenden Körpers bei seiner Bewegung vorgesehen sind, so dass die Anzahl der Freiheitsgrade bei der Bewegung des Körpers eingeschränkt ist und der Körper nur entlang bestimmter, durch die Führung vorgegebener Richtungen bewegt werden kann. Hierdurch ist eine kontrollierte, stabilisierte und definierte Bewegung des zu positionierenden Körpers sichergestellt. Die Führung kann beispielsweise erreicht werden durch mechanische Elemente, wie z. B. Nut-Passfeder-Systeme oder entsprechend geringe Spaltmaße zwischen dem zu positionierenden Körper und dem Gefäß zur Aufnahme der magnetischen Flüssigkeit, durch ein Fluid, z. B. hydrostatisch oder magnetofluidisch, durch Gas, z. B. mittels Druckluft, oder magnetisch, z. B. unter Verwendung magnetischer Abstoßungskräfte. Derartige Elemente können das Positioniersystem zudem vorspannen bzw. verspannen, so dass eine Energiespeicherung durch Federn bzw. Magnete ermöglicht wird.

Darüber hinaus ist unter Berücksichtigung der spezifischen Eigenschaften der jeweils verwendeten magnetischen Flüssigkeit auch eine strömungstechnische Stabilisierung des zu positionierenden Körpers durch geeignete Gestaltung der Geometrie des Positioniersystems möglich.

Bei dem zu positionierenden Körper muss es sich nicht um das einzustellende Objekt selbst handeln. Vielmehr kann es sich bei dem Körper beispielsweise auch um einen Objektträger handeln, der das zu positionierende Objekt trägt, wobei die Eigenschaften des Körpers derart gewählt werden, dass gerade eine besonders gute Positionierung mittels einer magnetischen Flüssigkeit ermöglicht wird. Der Körper selbst besteht vorzugsweise aus einem paramagnetischen Material.

Die Positionierung mehrerer Körper mittels magnetischer Flüssigkeiten kann beispielsweise zur Steuerung einer Parallelkinematik verwendet werden.

Ein Verfahren zum Positionieren eines Körpers unter Verwendung einer magnetischen Flüssigkeit ist durch die Merkmale des Patentanspruchs 16 charakterisiert.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden bei der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Figuren deutlich werden. Die in den Ausführungsbeispielen dargestellten Möglichkeiten der Magnetfelderzeugung sowie die dort gezeigten magnetischen Elemente dienen dabei vor allem der Beschreibung der wesentlichen Prinzipien magnetofluidischer Positioniersysteme.
Es zeigen:
1a und 1b eine schematische Darstellung eines Positioniersystems zur Positionierung eines von einer magnetischen Flüssigkeit aufgenommenen Körpers entlang einer Richtung durch Verdrängung;
2a und 2b eine Abwandlung des Positioniersystems aus den 1a und 1b, wobei die Positionierung des Körpers durch Mitschleppen bei Bewegung eines Permanentmagneten erfolgt;
3a und 3b eine schematische Darstellung eines Positioniersystems zur Positionierung eines Körpers entlang dreier Achsen unter Verwendung eines Permanentmagneten sowie von vier Elektromagneten;
4 eine schematische Darstellung einer Anordnung zur Positionierung eines Körpers entlang zweier Achsen unter Verwendung von vier Elektromagneten;
5a und 5b in einer magnetischen Flüssigkeit schwimmende bzw. schwebende Körper;
6a bis 6l unterschiedliche Möglichkeiten zur Bewegung eines in einer magnetischen Flüssigkeit aufgenommenen Körpers entlang einer Richtung;
7a bis 7e unterschiedliche Möglichkeiten zur Bewegung eines zu positionierenden Körpers entlang mehrerer Achsen;
8a bis 8d unterschiedliche Möglichkeiten zur Erzeugung einer Rotationsbewegung eines von einer magnetischen Flüssigkeit aufgenommenen, zu positionierenden Körpers;
9a und 9b eine Anordnung zur Bewegung eines von einer magnetischen Flüssigkeit aufgenommenen Körpers entlang einer Achse unter Verwendung von zwei Magneten;
10a bis 10c serielle und parallele Positioniersysteme zur Bewegung eines in einer magnetischen Flüssigkeit aufgenommenen Körpers;
11a bis 11i unterschiedliche Maßnahmen zur Führung eines von einer magnetischen Flüssigkeit aufgenommenen, zu positionierenden Körpers;
12a und 12b Möglichkeiten zum Bereithalten zusätzlicher magnetischer Flüssigkeit bei einer Anordnung zum Positionieren eines in einer magnetischen Flüssigkeit aufgenommenen Körpers;
13a bis 13f Möglichkeiten zum Spannen bzw. Klemmen eines in einer magnetischen Flüssigkeit aufgenommenen Körpers;
14 die Verwendung mehrerer mittels jeweils einer magnetischen Flüssigkeit positionierbarer Körper zur Steuerung einer Parallelkinematik.
Gemäß 1a ist in einem an einer Seite (oben) offenen quaderförmigen Behälter 1 eine magnetische Flüssigkeit M (z. B. ein Ferrofluid) angeordnet, auf der ein zu positionierender, im Beispiel ebenfalls quaderförmiger, paramagnetischer Körper 2 schwimmt. Zur Positionierung dieses Körpers 2 innerhalb des Behälters 1 ist neben einer Wand des Behälters 1 ein Permanentmagnet P zugeordnet, dessen der entsprechenden Wand des Behälters 1 zugeordnete Oberfläche O parallel zu jener Wand verläuft.
Wird der Permanentmagnet P aus der in 1a dargestellten Ausgangsposition heraus in Richtung auf die zugeordnete Wand des Behälters 1 verschoben, so nimmt das magnetische Feld in dem Behälter 1 hinter jeder Wand zu, und es ändert sich die Verteilung der magnetischen Flüssigkeit M innerhalb des Behälters 1, in dem sich zusätzliche Flüssigkeit in der Nähe der Wand des Behälters 1 sammelt, zu der der Permanentmagnet P bewegt worden ist. Hierdurch wird der Körper 2 verdrängt, d. h. er bewegt sich in entgegengesetzter Richtung wie die magnetische Flüssigkeit M und in gleicher Richtung x wie der Permanentmagnet P zu einer neuen Position innerhalb des Behälters 1.
Die endgültige Position des Körpers 2 ist erreicht, wenn sich das aus der magnetischen Flüssigkeit M und dem Permanentmagneten P bestehende magnetische System im Gleichgewicht befindet. Der Körper 2 ist dann in der zuvor eingestellten Position räumlich fixiert.
Sowohl für das in den 1a und 1b dargestellte Ausführungsbeispiel eines Positioniersystems als auch für alle weiteren Ausführungsbeispiele gilt, dass es zur Einwirkung auf die magnetische Flüssigkeit M lediglich darauf ankommt, dass die Position des Permanentmagneten P relativ zu der magnetischen Flüssigkeit M bzw. relativ zu dem die Flüssigkeit M aufnehmenden Behälter 1 verändert wird. Dies muss nicht durch Bewegung des Permanentmagneten P selbst erfolgen; statt dessen kann auch der Behälter 1 zusammen mit der darin vorgesehenen magnetischen Flüssigkeit M bewegt werden.
Die in 2a dargestellte Anordnung unterscheidet sich von der in 1a gezeigten darin, dass der Permanentmagnet unterhalb der Bodenfläche des Behälters 1 angeordnet ist, wobei die dem paramagnetischen Behälter 1 zugewandte Oberfläche O des Permanentmagneten P sich parallel zu der Bodenfläche erstreckt. Die in dem Behälter 1 vorgesehene magnetische Flüssigkeit M sammelt sich verstärkt in dem Bereich oberhalb des Permanentmagneten P. Dort befindet sich auch der in der magnetischen Flüssigkeit M aufgenommene Körper 2. Zur Positionierung des Körpers 2 wird der Permanentmagnet P entlang einer vorgegebenen Richtung x parallel zur Bodenfläche des Behälters 1 bewegt, vergleiche 2b, wobei die magnetische Flüssigkeit M und der zu positionierende Körper 2 mitgenommen werden.
Die abschließende Position des Körpers 2 entlang der Einstellrichtung x ist dabei gegeben durch die abschließende Position des Permanentmagneten P in dieser Richtung.
Bei dem in den 3a und 3b dargestellten Ausführungsbeispiel ist eine magnetische Flüssigkeit M in einem oben offenen Behälter 1 mit einer quaderförmigen Außenkontur angeordnet, der eine hohlzylindrische Aufnahme 10 für die magnetische Flüssigkeit M bildet. In der magnetischen Flüssigkeit M schwimmt ein hohlzylindrischer Aktorkörper 2, der in einem aus dem Behälter 1 herausragenden Endabschnitt eine Plattform 25 zur Aufnahme eines einzustellenden Objektes aufweist. Zur Positionierung des Körpers K innerhalb des Behälters 1 in der Ebene senkrecht zur Zylinderachse A ist neben allen vier Außenwänden des Behälters 1 an einem von der entsprechenden Behälterwand abstehenden Ausleger 100 jeweils ein Elektromagnet E1, E2, E3, E4 angeordnet, wobei die Ausleger 100 jeweils den Spulenkern der Elektromagnete bilden bzw. aufnehmen. Durch Bestromung dieser Elektromagnete lässt sich der Aktorkörper 2 in der Ebene senkrecht zur Zylinderachse A, d.h. in der xy-Ebene, positionieren, entsprechend des oben anhand der 1a und 1b dargestellten Verdrängungsprinzips, wobei die abschließende Position des Körpers 2 in dem Behälter 1 von der Stärke der von den einzelnen Elektromagneten E1 bis E4 erzeugten Magnetfelder abhängt, die wiederum durch Variation der Bestromung der Elektromagnete E1 bis E4 wählbar sind.
Zur Positionierung des Aktorkörpers 2 entlang der Zylinderachse A, d. h. entlang der Vertikalen z, ist unterhalb der Bodenfläche des Behälters 1 ein Permanentmagnet P angeordnet, dessen Oberfläche parallel zu der Bodenfläche des Behälters 1 verläuft. Durch Variation des Abstandes zwischen dem Permanentmagneten P und dem Boden des Behälters 1 wird die Position des Körpers 2 entlang der Zylinderachse A eingestellt, basierend auf dem anhand der 1a und 1b erläuterten Verdrängungsprinzip. Für ein besseres Zusammenwirken zwischen dem hohlzylindrischen Körper 2 und der magnetischen Flüssigkeit M ist in der Bodenfläche des Aktorkörpers 2 eine Ausbuchtung 21 vorgesehen, in die die magnetische Flüssigkeit M eindringen kann.
Zur Positionierung des Aktorkörpers 2 entlang der Zylinderachse A wird hierbei auch der Auftrieb ausgenutzt, wobei der Auftrieb und das durch den Permanentmagneten P erzeugte Magnetfeld bei der Schaffung einer Gleichgewichtslage des Körpers 2 entlang der Zylinderachse A zusammenwirken.
Die Lage (Position) des Aktorkörpers 2 wird dabei mittels eines Sensor S erfasst, der einen aus dem Behälter 1 herausragenden Abschnitt des Aktorkörpers 2 abtastet. Als Sensor können hierbei bekannte, übliche Positionssensoren, z.B. ein optischer, ein kapazitiver oder ein magnetischer Sensor verwendet werden.
Bei der in 4 dargestellten Anordnung ist in einem quaderförmigen, permanentmagnetischen Behälter 1 eine magnetische Flüssigkeit M in Form eines Ferrofluids angeordnet, auf der ein ebenfalls quaderförmiger Aktuatorkörper 2 schwimmt. Zur Positionierung des auf der magnetischen Flüssigkeit M schwimmenden Aktuatorkörpers 2 innerhalb des Behälters 1 steht von den vier Seitenwänden des Behälters 1 jeweils ein Ausleger 100 ab, der zugleich einen Polschuh für einen Elektromagneten E1, E2, E3 bzw. E4 bildet. Somit ist neben jeder Seitenwand des Behälters 1 ein Elektromagnet E1, E2, E3, E4 angeordnet, der jeweils durch eine um den entsprechenden Polschuh gewickelte Spule gebildet wird. Durch Bestromung der Spulen lassen sich die magnetischen Felder der Elektromagnete E1 bis E4 derart einstellen, dass unter Anwendung des anhand der 1a und 1b beschriebenen Verdrängungsprinzips der Aktuatorkörper 2 parallel zur Bodenfläche des ein Gehäuse bildenden Behälters 1 positioniert wird, d. h. in eine definierte, vorgebbare Position bewegt und dort fixiert wird.
Anhand der 5a bis 14 werden nun unterschiedliche Weiterbildungen und Abwandlungen der in den 1a bis 4 dargestellten Positioniersysteme beschrieben werden.
Die 5a bzw. 5b zeigen einen in einer magnetischen Flüssigkeit M schwimmenden (5a) bzw. schwebenden (5b) Körper 2. Der schwimmende Körper 2 ragt aus der magnetischen Flüssigkeit M heraus, während der schwebende Körper 2 vollständig von der magnetischen Flüssigkeit M umgeben ist. Im Fall des Schwebens (Levitation) ist zu unterscheiden zwischen Eigenlevitation, wie sie bei ferromagnetischen Körpern in einer magnetischen Flüssigkeit auftritt, und passiver Levitation, wie sie bei paramagnetischen Körpern in einer magnetischen Flüssigkeit auftritt.
Um das gewünschte Schwimmen bzw. Schweben des zu positionierenden Körpers in einer magnetischen Flüssigkeit zu erreichen, sind unterschiedliche Maßnahmen denkbar. So kann der Körper aus einem Material bestehen, dessen Dichte kleiner ist als die Dichte der magnetischen Flüssigkeit oder der Körper ist als Hohlkörper ausgebildet. Ferner können lokale Dichteunterschiede durch eine ortsabhängige Dichte bzw. Partikelverteilung in dem Körper oder der magnetischen Flüssigkeit erreicht werden. Weiterhin kann eine Tragwirkung der magnetischen Flüssigkeit durch Oberflächenspannung erreicht werden, oder es erfolgt eine ortsabhängige Variation der Dichte in der magnetischen Flüssigkeit durch Erzeugung eines magnetischen Druckes.
Wie oben anhand der 1a bis 4 bereits ausgeführt, lässt sich eine Bewegung und Positionierung eines von einer magnetischen Flüssigkeit M aufgenommenen Körpers 2 beispielsweise durch Änderung der Lage eines Magneten bezüglich des die magnetische Flüssigkeit aufnehmenden Behälters oder durch Variation der Bestromung eines neben dem Behälter angeordneten Elektromagneten erreichen. Diese und weitere Prinzipien zur Positionierung eines von einer magnetischen Flüssigkeit aufgenommenen Körpers werden nachfolgend anhand der 6a bis 6l erläutert werden.
Bei dem in den 6a und 6b dargestellten Ausführungsbeispiel wird eine Verschiebung eines von einer magnetischen Flüssigkeit M in einem Behälter 1 aufgenommenen Körpers 2 entlang einer vorgegebenen Richtung x dadurch erreicht, dass neben einer Wand des Behälters 1 zunächst ein Permanentmagnet P und anschließend zwei Permanentmagnete P positioniert sind. Hierdurch nimmt das Magnetfeld im Bereich dieser Wand des Behälters 1 zu und es sammelt sich magnetische Flüssigkeit M neben dieser Wand, wodurch der Körper 2 verdrängt und entlang der vorgegebenen Richtung x zu der gegenüber liegenden Wand bewegt wird.
Die 6c und 6d verdeutlichen noch einmal das Prinzip der Positionierung eines in einem Behälter 1 von einer magnetischen Flüssigkeit M aufgenommenen Körpers 2 durch Änderung des Abstandes d zwischen einem außerhalb des Behälters 1 neben einer Behälterwand angeordneten Permanentmagneten P und der entsprechenden Behälterwand. Je geringer der Abstand d zwischen der der Behälterwand zugewandten Oberfläche O des Permanentmagneten P und der Behälterwand selbst ist, desto stärker ist das Magnetfeld in der magnetischen Flüssigkeit M im Bereich dieser Behälterwand. Mit zunehmender Stärke des Magnetfeldes sammelt sich mehr magnetische Flüssigkeit M im Bereich dieser Behälterwand und der zu positionierende Körper 2 wird zu der gegenüber liegenden Behälterwand hin verdrängt. Durch Wahl der Distanz d zwischen dem Permanentmagneten P und der zugeordneten Behälterwand lässt sich die Position des Körpers 2 entlang der Verstellrichtung x einstellen, die dem Gleichgewichtszustand des magnetischen Systems M, P entspricht.
In den 6e und 6f ist ein Positioniersystem dargestellt, bei dem einem neben einer Wand eines Behälters 1, der einen auf einer magnetischen Flüssigkeit M schwimmenden Körper 2 aufnimmt, ein Permanentmagnet P mit einem nachgeschalteten Feldformer F angeordnet ist. Durch diesen Feldformer F lassen sich die von dem Permanentmagneten P erzeugten Magnetfeldlinien beeinflussen und somit auch deren Wirkung auf die in dem Behälter 1 vorgesehene magnetische Flüssigkeit M. Dies ermöglicht wiederum eine Positionierung des Körpers 2 in dem Behälter 1.
Die 6g und 6h zeigen in einer Draufsicht (im Unterschied zu den Seitenansichten gemäß den 6a bis 6f) ein Positioniersystem mit einem eine magnetische Flüssigkeit M und einen zu positionierenden Körper 2 aufnehmenden Behälter 1, wobei entlang einer Achse x von einander beabstandet beidseits des Behälters zwei Permanentmagnete P1, P2 angeordnet sind. Durch Verschiebung der beiden Permanentmagnete P1, P2 in entgegengesetzter Richtung entlang einer senkrecht zu der erstgenannten Achse x verlaufenden weiteren Achse y um einen Betrag e₁ bzw. e₂ lässt sich das Magnetfeld in der magnetischen Flüssigkeit M verändern und der zu positionierende Körper 2 in eine bestimmte, vorgegebene Position bewegen. Die Positionierung des Körpers 2 erfolgt hier also durch Übergang von einer konzentrischen (6g) zu einer exzentrischen (6h) Anordnung zweier Permanentmagnete P1, P2 bezüglich einer Achse x.
Bei dem in den 6i und 6j dargestellten Ausführungsbeispiel erfolgt die Bewegung und Positionierung eines in einem Behälter 1 von einer magnetischen Flüssigkeit M aufgenommenen Körpers 2 mittels eines neben einer Seitenwand des Behälters angeordneten Permanentmagneten P, der zunächst (6i) mit seiner der Seitenwand des Behälters 1 zugeordneten Oberfläche O parallel zu dieser Seitenwand angeordnet ist und dementsprechend in einem Winkel α = 90° zu einer senkrecht durch die entsprechende Behälterwand verlaufenden Achse x. Durch Verschwenken des Permanentmagneten P, so dass sich der Winkel zwischen der Oberfläche O des Permanentmagneten P und der besagten Achse x auf einen neuen Wert β ändert, kommt es zu einer Veränderung des Magnetfeldes M innerhalb des Behälters 1 und hierdurch zu einer Bewegung des Körpers 2 in der magnetischen Flüssigkeit M.
Bei der in den 6k und 6l dargestellten Anordnung erfolgt eine Positionierung eines von einer magnetischen Flüssigkeit M aufgenommenen Körpers 2 wiederum durch Änderung der Distanz d zwischen einem Permanentmagneten P und dem – in den 6k und 6l in einer geschnittenen Seitenansicht dargestellten, oben offenen – Behälter 1. Bei diesem Ausführungsbeispiel verjüngen sich sowohl der Behälter 1 als auch der zu positionierende Körper K jeweils zu ihrem unteren Ende hin, d. h., sie laufen nach unten hin spitz zu, so dass eine Verschiebung des Permanentmagneten P entlang der Horizontalen x eine Bewegung des Körpers 2 nicht nur entlang dieser Horizontalen x, sondern auch entlang der Vertikalen z zur Folge hat, entlang der sich der Behälter 1 und der Körper 2 verjüngen.
In den 7a bis 7e sind unterschiedliche Möglichkeiten einer translatorischen Bewegung und Positionierung eines innerhalb einer magnetischen Flüssigkeit M angeordneten Körpers 2 dargestellt.
Die 7a und 7b zeigen in einer geschnittenen Seitenansicht bzw. einer geschnittenen Draufsicht entsprechend einem Längsschnitt und einem Querschnitt ein Positioniersystem, bei dem unterhalb des die magnetische Flüssigkeit M und den zu positionierenden Körper 2 aufnehmenden Behälters 1 ein Permanentmagnet P angeordnet ist, dessen Oberfläche O sich parallel zu der entsprechenden Wand (Bodenfläche) des Behälters 1 erstreckt. Dies ermöglicht eine Bewegung und Positionierung des Körpers K entlang der Vertikalen z (einachsige Bewegung und Positionierung).
Die 7c und 7d zeigen zwei unterschiedliche Positioniersysteme, bei denen Permanentmagnete P1, P2 einmal neben einer Seitenwand und unterhalb der Bodenfläche (7c) und im anderen Fall neben zwei winklig (rechtwinklig) zueinander verlaufenden Seitenwänden (7d) des Behälters 1 angeordnet sind. Dies ermöglicht eine zweiachsige translatorische Positionierung des in einer magnetischen Flüssigkeit M innerhalb des Behälters 1 aufgenommenen Körpers 2, und zwar im ersten Fall entlang einer horizontalen Achse x und der vertikalen Achse z und im anderen Fall entlang zweier horizontaler Achsen x, y.
Bei dem in 7e in perspektivischer, teilweise aufgebrochener Darstellung gezeigten System sind Permanentmagnete P1, P2, P3 sowohl neben zwei rechtwinklig zueinander verlaufenen Seitenwänden als auch unterhalb der Bodenfläche des Behälters 1 angeordnet. Dies ermöglicht eine Einstellung des in dem Behälter 1 auf einer magnetischen Flüssigkeit M schwimmenden Körpers 2 entlang aller drei Raumrichtungen x, y, z.
In den 8a bis 8d werden nun unterschiedliche Möglichkeiten für eine rotatorische Bewegung eines in einer magnetischen Flüssigkeit M aufgenommenen Körpers K beschrieben.
Gemäß 8a sind zwei Permanentmagnete P1, P2 neben einander entlang einer ersten Richtung y gegenüberliegenden Seitenwänden des Behälters 1 angeordnet, in dem die magnetische Flüssigkeit M und der zu positionierende Körper 2 aufgenommen sind. Die beiden Permanentmagnete P1, P2 sind dabei entlang einer zweiten Richtung x voneinander beabstandet angeordnet, die senkrecht zu der erstgenannten Richtung y verläuft. Durch Variation des Abstandes zwischen den beiden Permanentmagneten P1, P2 und der jeweils zugeordneten Seitenwand des Behälters 1 lässt sich eine Drehbewegung des Körpers 2 in der xy-Ebene erreichen, wie in 8b dargestellt, d.h., um eine senkrecht zu der xy-Ebene verlaufene Achse z.
Bei dem in den 8c und 8d dargestellten Ausführungsbeispiel eines Positioniersystems ist der in dem Behälter 1 auf der magnetischen Flüssigkeit M schwimmende Körper 2 an einem Ende mittels eines Gelenkes G schwenkbar an einer Wand des Behälters 1 angelenkt. Im Bereich des gegenüberliegenden Endes des Körpers 2 ist unter der Bodenfläche des Behälters 1 ein Permanentmagnet P angeordnet, dessen Abstand von jener Bodenfläche variabel einstellbar ist. Eine Abstandsänderung führt hierbei nach dem Verdrängungsprinzip zu einer rotatorischen Auslenkung des Körpers 2, der mit seinem einen Ende schwenkbar an dem Behälter 1 angelenkt ist und daher einer Änderung in der Verteilung der magnetischen Flüssigkeit M innerhalb des Behälters 1 nur mit seinem anderen, freien Ende folgen kann.
Bei dem in den 9a und 9b gezeigten Positioniersystem für einen auf einer magnetischen Flüssigkeit M schwimmenden Körper 2 sind entlang einer ersten Richtung x beidseits des die magnetische Flüssigkeit M und den Körper 2 aufnehmenden Behälters 1 zwei Permanentmagnete P1, P2 angeordnet. Durch Variation der Abstände d₁, d₂ der beiden Permanentmagnete P1, P2 von der jeweils zugeordneten Seitenwand des Behälters 1 entlang jener Richtung x lässt sich der Körper 2 in dieser Richtung x positionieren. Insbesondere ist es möglich, wie beim Übergang von 9a zu 9b dargestellt, den Abstand d, des einen Permanentmagneten P1 von der zugeordneten Seitenwand des Behälters 1 zu verringern und den Abstand d₂ des anderen Permanentmagneten P2 von der zugeordneten Seitenwand des Behälters 1 entlang derselben Richtung zu vergrößern, so dass ein starker Magnetfeldgradient entlang der gewünschten Bewegungsrichtung x des Körpers 2 erzeugt wird. D.h., die beiden Permanentmagnete P1, P2 wirken bei der Verschiebung des Körpers 2 entlang einer definierten Richtung x zusammen, so dass besonders große Verschiebewege erreichbar sind, unter Beibehaltung der Genauigkeit eines Positioniersystems auf der Grundlage einer magnetischen Flüssigkeit.
Vor Auslenkung der beiden Permanentmagnete P1, P2 weisen diese entsprechend 9a jeweils den gleichen Abstand d₁ = d₂ von der jeweils zugeordneten Seitenwand des Behälters 1 auf. Sie erzeugen in diesem Fall eine Vorspannung innerhalb des Systems.
10a zeigt eine serielle Anordnung zweier Einrichtungen zur Positionierung eines Körpers mittels einer magnetischen Flüssigkeit. Gemäß 10a ist in einem ersten Behälter 1 eine magnetische Flüssigkeit M vorgesehen, in der ein Körper 2 schwimmt, der mittels eines neben einer Seitenwand des Behälters 1 angeordneten, entlang einer ersten Richtung x verschiebbaren Permanentmagneten P1 entlang jener ersten Richtung x bewegbar ist, und zwar auf der Grundlage des anhand der 1a und 1b erläuterten Verdrängungsprinzips.
Der erste Körper 2 trägt einen weiteren Behälter 1' mit einer weiteren magnetischen Flüssigkeit M', auf der ein weiterer Körper 2' schwimmt. Diesem weiteren Behälter 1' und dem darin in einer magnetischen Flüssigkeit M' aufgenommenen Körper 2' ist ein weiterer Permanentmagnet P2 zugeordnet, mit dem eine Verschiebung des zweiten Körpers 2' entlang einer Richtung y senkrecht zu der ersten Richtung x möglich ist.
10a zeigt somit ein serielles Positioniersystem für zwei Körper 2, 2', wobei der zweite Körper 2' derart mit dem ersten Körper 2 gekoppelt ist, dass jede Bewegung des ersten Körpers 2 unmittelbar (mechanisch) auf den zweiten Körper 2' übertragen wird, und wobei der zweite Körper 2' zusätzlich unabhängig von dem ersten Körper 2 bewegt werden kann.
10b zeigt ein paralleles Positioniersystem, bei dem ein in einem Behälter 1 aufgenommener, auf einer magnetischen Flüssigkeit M schwimmender Körper 2 mittels zweier Permanentmagnete P1, P2 wahlweise entlang einer von zwei Raumrichtungen x, z bzw. gleichzeitig entlang beider Raumrichtungen x, z bewegbar ist.
10c zeigt eine Kombination des seriellen Systems aus 10a mit dem parallelen System aus 10b, wobei ein erster Körper 2, der in einer ersten magnetischen Flüssigkeit M in einem ersten Behälter 1 schwimmt, mittels zweier Permanentmagnete P1, P2 unabhängig voneinander entlang zwei Raumrichtungen x, z bewegbar ist und wobei ein zweiter Körper 2' mechanisch derart mit dem ersten Körper 2 gekoppelt ist, dass er dessen Bewegungen entlang der besagten Raumrichtungen x, z nachvollzieht. Darüber hinaus ist der in einem zweiten Behälter 1' auf einer zweiten magnetischen Flüssigkeit M' schwimmende zweite Körper 2' mittels eines weiteren Permanentmagneten P3 zusätzlich entlang einer weiteren Raumrichtung y verschieb- und positionierbar.
Es werden nun anhand der 11a bis 11i unterschiedliche Möglichkeiten zur definierten Führung des zu positionierenden Körpers erläutert werden.
Gemäß 11a ist an einem in einem Behälter 1 auf einer magnetischen Flüssigkeit M schwimmenden Körper 2 ein Führungselement 26 in Form einer Führungsstange vorgesehen, beispielsweise angeformt, die in einem zugeordneten Führungsbereich 206 in Form einer Führungsbuchse geführt ist. Bei einer weitgehend spielfreien Führung des Führungselementes 26 in dem zugeordneten Führungsbereich 206 schränkt dies die möglichen Bewegungen des Körpers 2 auf eine Bewegung entlang einer einzigen Richtung z ein. Eine solche Bewegung wird wiederum ausgelöst durch einen Permanentmagneten P, der unterhalb des Bodenbereichs des Behälters 1 angeordnet und dessen Abstand von dem Bodenbereich variabel ist.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 11b wird eine entsprechende Einschränkung der Bewegbarkeit des Körpers 2 durch einen an dem Körper 2 angeformten Vorsprung 27 in Form einer Passfeder erreicht, die in einer zugeordneten Nut 207 der Innenwand des den Körper 2 und die magnetische Flüssigkeit M aufnehmenden Behälters 1 geführt ist.
Bei dem in den 11c und 11d dargestellten Positioniersystem dient zur Führung des zu positionierenden Körpers 2 entlang einer definierten Richtung z eine sich in axialer Richtung entlang dieses (zylindrischen) Körpers 2 erstreckende Nut 28, in die die in dem Behälter 1 aufgenommene und der Positionierung des Körpers 2 dienende magnetische Flüssigkeit M eindringt. Dieser Nut 28 ist ein in dieselbe Richtung z erstreckter Führungsmagnet 208 außerhalb des Behälters 1 zugeordnet, der aufgrund seines Magnetfeldes für eine stetige Befüllung der Nut 28 mit magnetischer Flüssigkeit M sicherstellt. Hierdurch wird wiederum eine definierte Führung des Körpers 2 entlang einer Richtung z (axiale Richtung des zylindrischen Körpers 2) erreicht, wobei die Bewegung des Körpers 2 durch einen weiteren, unterhalb der Bodenfläche des Behälters 1 angeordneten, verschieblichen Permanentmagneten P ausgelöst wird.
Bei den in den 11e und 11f dargestellten Positioniersystemen weist der auf einer magnetischen Flüssigkeit M in einem Behälter 1 schwimmende Körper 2 – entsprechend dem Positioniersystem aus 11a – ein längserstrecktes Führungselement 26 auf, das aus dem Behälter 1 herausragt und sich in Bewegungsrichtung z des zu positionierenden Körpers 2 erstreckt. Die Führungswirkung wird dabei in einem Fall (11e) dadurch erzeugt, dass das Führungselement 26 mittels Gasdruck stabilisiert wird, der durch eine entsprechende Druckerzeugungsvorrichtung 216 zur Verfügung gestellt wird. Im anderen Fall (11f) ist an dem längserstreckten Führungselement 26 ein magnetischer Abschnitt 26' vorgesehen, dem entsprechende ortsfeste Führungsmagnete 226 zugeordnet sind. In beiden Fällen wird erreicht, dass der Körper 2 über die magnetische Flüssigkeit M durch einen hierfür vorgesehenen verschieblichen Permanentmagneten P jeweils nur entlang einer definierten, durch die jeweilige Führungseinrichtung 26, 216 bzw. 26, 26', 226 festgelegten Richtung z bewegbar ist.
Bei den in den 11g und 11h dargestellten Positioniersystemen ist ein zu positionierender, in einer magnetischen Flüssigkeit M schwimmender Körper 2 mittels jeweils eines zugeordneten Permanentmagneten P deswegen nur entlang einer Richtung z bewegbar, weil senkrecht hierzu das Spaltmaß s zwischen der Außenwand des zu positionierenden Körpers 2 und der entsprechenden Innenwand des den Körper 2 und die magnetische Flüssigkeit M aufnehmenden Behälters 1 so klein ist, dass keine nennenswerte Verschiebung des Körpers 2 erfolgen kann.
11i zeigt ein Positioniersystem, mit dem ein in einer magnetischen Flüssigkeit M schwimmenden Körper 2 durch Bewegung eines Permanentmagneten P entlang der vertikalen Achse z verschiebbar ist. Der Körper 2 ist dabei als ein längserstrecktes, bezüglich seiner Längsachse A rotationsymmetrisches Objekt mit bauchigen Seitenflächen 22 ausgebildet. Hierdurch verringert sich das Spaltmaß s, d.h. der Abstand zwischen der inneren Oberfläche der Seitenwände des die magnetische Flüssigkeit M aufnehmenden hohlzylindrischen Behälters 1 und der Seitenfläche 22 des Körpers 2 sowohl von der Bodenfläche als auch von der offenen Deckfläche des Behälters 1 her jeweils zu deren Mitte hin. Bei Annäherung des zur Verschiebung des Körpers 2 verwendeten Permanentmagneten P an die Bodenfläche des Behälters 1 hat die magnetische Flüssigkeit M die Tendenz, in Richtung der Bodenfläche des Behälters 1 zu strömen, angezogen durch das dortige, von dem Permanentmagneten P erzeugte magnetische Feld. Aufgrund der vorbeschriebenen Variation des Spaltmaßes s in Strömungsrichtung, d.h. entlang der Längsachse A des Körpers 2, entsteht hierbei ein Druck, der den Körper 2 in seiner zentralen Lage innerhalb des Behälters 1 stabilisiert.
Die 12a und 12b zeigen Möglichkeiten für das Bereitstellen einer hinreichenden Menge magnetischer Flüssigkeit M, die insbesondere dann erforderlich ist, wenn die Positionierung des in der magnetischen Flüssigkeit M aufgenommenen Körpers 2 nach dem Verdrängungsprinzip erfolgen soll.
Gemäß der in 12a dargestellten Anordnung weist der zu positionierende Körper 2 in einem Teilabschnitt 26 eine so geringe Ausdehnung (verglichen mit der Ausdehnung des Behälters 1) auf, dass in dessen Umgebung eine hinreichende Menge magnetischer Flüssigkeit M bereitgehalten werden kann, die gegebenenfalls unter die Unterseite des magnetischen Körpers 2 strömen kann, um diesen bei Bewegung des Permanentmagneten P hin zu der Bodenfläche des Behälters 1 entlang der Vertikalen z anzuheben.
Bei der in 12b dargestellten Anordnung ist ein zusätzlicher Behälter 101 mit weiterer magnetischer Flüssigkeit M vorgesehen, die über eine Verbindungsleitung 102 dem Behälter 1 zugeführt werden kann, in dem der zu positionierende Körper 2 auf magnetischer Flüssigkeit M schwimmt.
Im Ergebnis wird also bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 12a die zum Positionieren des Körpers 2 erforderliche magnetische Flüssigkeit M vollständig innerhalb des Behälters 1 bereitgehalten, der den zu positionierenden Körper 2 aufnimmt, während bei dem in 12b gezeigten Ausführungsbeispiel ein separater Behälter 101 für zusätzliche magnetische Flüssigkeit M vorgesehen ist.
Da für die anhand der 1a–12b beschriebenen Positioniersysteme zur Positionierung eines Körpers jeweils Magnetofluide (Ferrofluide oder magnetorheologische Flüssigkeiten) verwendet werden, kann die Dämpfung, Nachgiebigkeit und Tragfähigkeit des jeweiligen Positioniersystems gezielt durch die Stärke und den Gradienten des von außen angelegten Magnetfeldes sowie durch die Art des verwendeten Mediums (magnetische Flüssigkeit) variiert werden. Die Positioniersysteme verfügen demnach über eine integrierte, definiert variierbare Dämpfung, Nachgiebigkeit und Tragfähigkeit.
Es werden nun anhand der 13a–13f Möglichkeiten dargestellt, einen Positioniermechanismus der vorstehend beschriebenen Art zum Verspannen bzw. Klemmen eines Objektes zu verwenden.
Die in den 13a–13f dargestellten Anordnungen zum Halten bzw. Fixieren eines Objektes beruhen jeweils darauf, dass entsprechende Objekt durch Verschieben gegen einen Anschlag zu bewegen und dort klemmend zu fixieren (einzuspannen). Hierdurch kann das zuvor beschriebene magnetofluidische Positioniersystem zugleich als ein magnetofluidischer Halter bzw. Greifer wirken, z.B. zur Verwendung als Handhabungs- bzw. Montagesystem. Die Einspannung eines Objektes kann gegebenenfalls unter gleichzeitiger Verwendung mehrerer magnetofluidisch bewegbarer Körper erreicht werden.
13a zeigt einen oben offenen Behälter 1, gefüllt mit einer magnetischen Flüssigkeit M, in der ein Körper 2 schwimmt, dessen Fortsatz 26 nach oben aus dem Behälter 1 ragt und dort ein zu fixierendes Objekt O aufnimmt. Durch einen unterhalb der Bodenfläche angeordneten, entlang einer Achse (vertikale Achse z) verschiebbaren Permanentmagneten P lässt sich der Körper 2 entlang der entsprechenden Achse z bewegen, wobei das von dem Fortsatz 26 des Körpers 2 aufgenommene Objekt O gegen einen oberhalb des Behälters 1 angeordneten ortsfesten Anschlag AS bewegt und gegen diesen verklemmt wird, vergleiche 13b.
Die in 13c dargestellte Anordnung zum Halten eines Objektes O umfasst zwei entlang einer Achse x voneinander beabstandete Behälter 1, die jeweils mit einer magnetischen Flüssigkeit M gefüllt sind, in der ein Körper 2 schwimmt. Die beiden Körper 2 weisen jeweils einen abgewinkelten Fortsatz 28 auf, der nach oben durch die offene Oberseite des Behälters 1 ragt, so dass die freien Enden der beiden abgewinkelten Fortsätze 28 einander zugewandt und das zu haltende Objekt O zwischen diesen freien Enden angeordnet ist. Neben einer Wand (Seitenwand) des Behälters 1 ist jeweils ein Permanentmagnet P angeordnet, bei dessen Bewegung hin zu der zugeordneten Seitenwand des jeweiligen Behälters 1 aufgrund des Verdrängungsprinzips (vergleiche 1a und 1b) eine Bewegung des in dem jeweiligen Behälter schwimmenden Körpers 2 in der gleichen Richtung ausgelöst wird. Hierdurch können bei gegenläufiger Bewegung der beiden Permanentmagnete P die entsprechenden Körper 2 und somit auch die abgewinkelten Fortsätze 28 mit ihren freien Enden aufeinander zu bewegt werden, wodurch das Objekt O zwischen den freien Enden der Fortsätze 28 klemmend gehalten wird, vergleiche 13d. Die beiden Behälter 1 können dabei gegebenenfalls mechanisch miteinander verbunden sein.
Das in den 13e und 13f dargestellte Ausführungsbeispiel einer Anordnung zum Halten eines Objektes O unterscheidet sich von dem in den 13c und 13d dargestellten lediglich dadurch, dass die beiden zu bewegenden Körper 2 in dem selben Behälter 1 angeordnet sind, und zwar jeweils neben einer von zwei einander gegenüberliegenden Seitenwänden. Jedem der Körper 2 ist dabei ein Permanentmagnet P zugeordnet, der neben der entsprechenden Seitenwand des Behälters 1 außerhalb des Behälters 1 längsverschieblich gelagert ist. Das geklemmte bzw. gehaltene Objekt kann mit diesem System unter Beibehaltung der Vorspannung zusätzlich positioniert werden.
14 zeigt eine Anwendung eines Positioniersystems der in den 1a–12b beschriebenen Art auf eine Parallelkinematik, wie sie beispielsweise in der DE 101 39 878 A1 sowie der WO 91/03145 A1 beschrieben ist. Hierbei ist eine Plattform P, die beispielsweise zur Aufnahme eines zu bearbeitenden Werkstückes dient, gelenkig mit mehreren Armen 29 verbunden, die zur Positionierung der Plattform P bewegbar sind. Die Bewegung der einzelnen Arme 29 wird vorliegend jeweils mit einem Positioniersystem erzeugt, das einen in einem Behälter 1 in einer magnetischen Flüssigkeit M schwimmenden Körper 2 umfasst, der in einer der vorstehend anhand der 1a–12b beschriebenen Weisen in dem Behälter 1 bewegbar und positionierbar ist. Jeder dieser Körper 2 ist mit einem Arm 29 der Parallelkinematik verbunden, so dass durch Positionierung jedes der Körper 2 eine definierte räumliche Ausrichtung der Plattform 2 erreicht wird. Die magnetofluidischen Positioniersysteme dienen hier also als Aktuatoren bzw. Stellglieder für eine Parallelkinematik. Derartige Parallelkinematiken (Tripod oder Hexapod) sind beispielsweise als Stewart-Plattenformen bekannt. Die magnetofluidische Parallelkinematik kann darüber hinaus auch als Spannsystem dienen oder Teil eines Spannsystems sein.

Claims

Einrichtung zum Positionieren eines Körpers (2) mit Mitteln zum Bewegen des Körpers (2) in eine Mehrzahl unterschiedlicher Positionen, wobei – die Mittel zum Bewegen und Positionieren des Körpers (2) eine magnetische Flüssigkeit (M) umfassen, die mit mindestens einem magnetischen Element (E1, E2, E3, E4, P, P1, P2, P3) zusammenwirkt, – die magnetische Flüssigkeit (M) in einem Behälter (1) vorgesehen ist, der Körper (2) auf der magnetischen Flüssigkeit (M) schwimmt und keinen Festkörperkontakt zum Behälter (1) aufweist, – das mindestens eine magnetische Element (E1, E2, E3, E4, P, P1, P2, P3) derart auf die magnetische Flüssigkeit (M) einwirkt, dass der Körper (2) auf Grund einer Änderung der räumlichen Verteilung der magnetischen Flüssigkeit (M) durch Verdrängung oder Mitschleppen in eine angestrebte Position bewegt wird, – wobei sich bei Verdrängung der Körper (2) und die magnetische Flüssigkeit (M) in entgegengesetzte Richtungen bewegen, – wobei beim Mitschleppen des Körpers (2) das mindestens eine magnetische Element (E1, E2, E3, E4, P, P1, P2, P3) sich entlang einer vorgegebenen Richtung parallel zur Bodenfläche des Behälters (1) bewegt und die magnetische Flüssigkeit (M) und der zu positionierende Körper (2) mitgenommen werden, – und wobei der Körper (2) nach Erreichen der angestrebten Position dadurch fixiert wird, dass sich das durch die magnetische Flüssigkeit (M) und das mindestens eine magnetische Element (E1, E2, E3, E4, P, P1, P2, P3) gebildete magnetische System im Gleichgewicht befindet.
Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetische Flüssigkeit (M) als Ferrofluid oder als magnetorheologisches Fluid ausgebildet ist.
Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das magnetische Element (E1, E2, E3, E4, P, P1, P2, P3) durch Änderung des von ihm erzeugten magnetischen Feldes im Bereich der magnetischen Flüssigkeit (M) auf diese einwirkt.
Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass sich das magnetische Feld in Abhängigkeit von dem Ort nach Betrag und/oder Richtung ändert.
Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper (2) entlang mindestens einer Raumrichtung (x, y, z) bewegbar ist und dass jeder Raumrichtung (x, y, z), entlang der der Körper (2) bewegbar ist, mindestens ein magnetisches Element (E1, E2, E3, E4, P, P1, P2, P3) zugeordnet ist.
Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als magnetisches Element (P, P1, P2, P3) ein Permanentmagnet dient.
Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als magnetisches Element (E1, E2, E3, E4) ein Elektromagnet dient.
Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Änderung des von dem magnetischen Element (E1, E2, E3, E4, P, P1, P2, P3) erzeugten Magnetfeldes im Bereich der magnetischen Flüssigkeit (M) die Position, die räumliche Orientierung, die Form und/oder die Anzahl der magnetischen Elemente variierbar ist.
Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Änderung des von dem magnetischen Element (E1, E2, E3, E4) erzeugten Magnetfeldes die Spannung und/oder Geometrie eines Elektromagneten änderbar ist.
Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzliche Mittel (26, 206, 216, 226; 27, 207) zur Führung des Körpers (2) bei einer Bewegung vorgesehen sind.
Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzlichen Mittel (26, 206, 216, 226; 27, 207) auf den Körper (2) einwirken, so dass sich dieser nur entlang bestimmter, vorgegebener Richtungen bewegen kann.
Einrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzlichen Mittel (26, 206, 216, 226; 27, 207) durch mechanische Mittel, durch ein Fluid in Form einer Flüssigkeit oder eines Gases oder durch magnetische Mittel gebildet werden.
Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper (2) aus einem paramagnetischen Material besteht.
Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper (2) ein zu verstellendes Element (O) trägt.
Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Betätigung einer Parallelkinematik dient.
Verfahren zum Positionieren eines Körpers unter Verwendung einer Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, bei dem der Körper in eine aus einer Mehrzahl unterschiedlicher Positionen ausgewählte Position bewegt und in dieser Position fixiert wird, wobei zum Bewegen und Positionieren des Körpers (2) eine magnetische Flüssigkeit (M) verwendet wird, die mit mindestens einem magnetischen Element (E1, E2, E3, E4, P, P1, P2, P3) zusammenwirkt.