DE10261659A1

DE10261659A1 - Anordnung zur Bewegung von Gegenständen unabhängig voneinander in einer Ebene

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Publication number: DE10261659A1
Application number: DE10261659A
Authority: DE
Inventors: Peter Prof. Dr. Dittrich; Hartmann Dr. Hieber
Original assignee: Fachhochschule Jena
Current assignee: Fachhochschule Jena
Priority date: 2002-12-20
Filing date: 2002-12-20
Publication date: 2004-07-15
Anticipated expiration: 2022-12-21
Also published as: DE10261659B4

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zum Bewegen von Gegenständen (2.1, 2.2) unabhängig voneinander von aktuellen Ausgangspositionen in jeweils vorzugebende Zielpositionen. Die erfindungsgemäße Anordnung ermöglicht es, auf einer in den Koordinaten X, Y ausgedehnten Auflagefläche (1) aufliegende Gegenstände (2.1, 2.2) zu verschieben und in einer besonderen Ausgestaltung auch in der Koordinate phi zu verdrehen. DOLLAR A Eine Anordnung der vorgenannten Art umfaßt erfindungsgemäß DOLLAR A - eine Auflagefläche (1) für die Gegenstände (2.1, 2.2), DOLLAR A - eine Antriebseinrichtung (11) zur Erzeugung einer schwingenden Bewegung der Auflagefläche (1) mit den Richtungskomponenten in den Koordinaten X, Y und/oder phi, DOLLAR A - Aktoren (3i, j), von denen jeder während einer vorzugebenden Aktivierungszeit t¶A¶ eine Normalkraft F¶N¶ auf einen der Gegenstände (2.1, 2.2) ausübt, und DOLLAR A - eine Ansteuereinrichtung (8) zur Vorgabe von Aktivierungszeiten t¶A¶, wobei DOLLAR A - mit der Ansteuereinrichtung (8) Beginn und Ende der Aktivierungszeiten t¶A¶ in Abhängigkeit von vorbestimmten Phasen der schwingenden Bewegung veranlaßt werden.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zum Bewegen einer Anzahl von Gegenständen unabhängig voneinander in den Koordinaten X, Y. Die erfindungsgemäße Anordnung ermöglicht es, einen oder mehrere Gegenstände, die auf einer in den Koordinaten X, Y ausgedehnten Auflagefläche aufliegen, unabhängig voneinander von aktuellen Ausgangspositionen in jeweils vorzugebende Zielpositionen zu verschieben und in einer besonderen Ausgestaltung auch in der Koordinate φ zu verdrehen.
Aus dem Stand der Technik sind Planarmotoren bekannt, die ein oder mehrere Abtriebselemente aufweisen und mit denen es möglich ist, die Abtriebselemente in den Koordinaten X, Y einer Ebene zu bewegen und dabei auch in dieser Ebene zu drehen.
So ist z.B. in DE 197 1 2 893 A1 ein asynchroner Mehrkoordinatenantrieb beschrieben, bei dem ein Objekt relativ zu einer ebenen oder gering gewölbten Fläche, die durch die Koordinaten X, Y aufgespannt ist, durch Lorentz-Kräfte verschoben und/oder gedreht wird. Das Objekt ist mit einem beweglichen Primärteil gekoppelt, auf dem mindestens zwei Induktoren so angeordnet sind, daß ihre Wirkungslinien unterschiedliche Ausrichtungen zueinander haben. Von besonderer Bedeutung hierbei ist, daß die Induktoren mit getrennten Ansteuereinrichtungen verknüpft sind und über diese Ansteuereinrichtungen der Erregerstrom für jede Wicklung eines Induktors gesondert beeinflußt wird.
Nachteiligerweise muß das bewegliche Primärteil über Steuer- bzw. Energiezuleitungen versorgt werden. Es ist dadurch in seiner Beweglichkeit eingeschränkt.
Weiterhin sind Anordnungen bekannt, bei denen Gegenstände in einer von den Koordinaten X, Y aufgespannten Ebene bewegt werden können, ohne daß diesen Gegenstän den Steuersignale oder Betriebsspannungen über Zuleitungen zugeführt werden müssen. Dazu wird ein Primärteil, dem die Energie zugeführt wird, ortsfest ausgeführt und die zu bewegenden Gegenstände werden als Sekundärteil betrieben.
Eine solche, zum Transport von Wafer ausgebildete Anordnung ist beispielsweise als „transport apparatus" in US 6,160,338 beschrieben. Dabei ist vorgesehen, in den Wafer kapazitiv elektrische Ströme einzuspeisen, und es wirkt ein magnetisches Feld auf die stromdurchflossenen Bereiche des Wafers, so daß Lorentz-Kräfte entstehen, die als Vorschubkräfte genutzt werden. Anordnungen, die nach diesem Prinzip arbeiten, setzen allerdings funktionsbedingt eine relativ große Fläche des zu bewegenden Gegenstandes voraus. Auch können nur kleine Kräfte erzeugt werden.
Bekannt sind weiterhin Verfahren und Anordnungen zum berührungslosen Bewegen von Körpern, wie beispielsweise in DE 384101 1 A1 veröffentlicht. Dort wird die Bewegung der Körper erzielt, indem von ersten Permanentmagneten, die sich auf einer rotierenden Welle befinden, Vorschubkräfte auf zweite Permanentmagnete übertragen werden, die mit dem zu bewegenden Gegenstand gekoppelt sind. Nachteilig hierbei ist, daß die zu bewegenden Gegenstände relativ groß sein müssen und in Folge dessen auch relativ schwer sind, was einer schnellen und genauen Positionierung entgegensteht.
Des weiteren ist in DE 299 08 715 U1 eine Vorrichtung zum linearen Bewegen von Teilen beschrieben, bei der die Teile durch Magnetkraft an ein sich bewegendes Band gekoppelt und dann mit diesem Band transportiert werden. Nachteiligerweise müssen dabei alle Teile gleichzeitig an das Band gekoppelt und transportiert werden. Es ist mit dieser Vorrichtung nicht möglich, einzelne Teile gesondert und unabhängig voneinander in getrennte Positionen in den Koordinaten X, Y zu verschieben.
Hinweise auf eine besondere Verfahrensweise zum Transportieren passiver, nicht mit Energie oder Steuerbefehlen beaufschlagter Teile sind der Veröffentlichung DE 199 16 922 A1 zu entnehmen. Die Bewegungskräfte werden hier durch Schallwellen erzeugt und sind deshalb naturgemäß verhältnismäßig gering. Eine schnelle und exakte Positionsänderung für mehrere Teile unabhängig voneinander ist mit dieser Vorrichtung nicht möglich.
Weiterhin ist aus DE 100 15 706 A1 ein Linear-Schwingförderer bekannt, der durch schnelle Schwingungen mit kleiner Amplitude vorwärts-aufwärts und rückwärts-abwärts Gegenstände bewegt. Allerdings werden alle Gegenstände, die sich auf dem Linear-Schwingförderer befinden, in gleicher Weise bewegt. Die getrennte Bewegung einzelner Gegenstände in den Koordinaten X, Y ist nicht möglich.
Ausgehend davon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung der eingangs beschriebenen Art derart weiterzubilden, daß die Bewegung und Positionsänderung eines oder mehrerer Gegenstände in den Koordinaten X, Y und/oder φ möglich ist und die Beweglichkeit der Gegenstände nicht durch Zuleitungen behindert wird.
Erfindungsgemäß umfaßt eine Anordnung zum Bewegen einer Anzahl von Gegenständen in den Koordinaten X, Y

– eine sich in den Koordinaten X, Y erstreckende Auflagefläche für die Gegenstände,
– eine mit der Auflagefläche gekoppelte Antriebseinrichtung zur Erzeugung einer schwingenden Bewegung der Auflagefläche mit stetig wechselnden, wiederkehrenden Richtungskomponenten in den Koordinaten X, Y und/oder φ,
– eine Vielzahl von parallel zu der Auflagefläche nebeneinander angeordneten Aktoren, von denen jeder während einer vorzugebenden Aktivierungszeit t_A eine Normalkraft F_N auf einen sich in seinem Wirkungsbereich befindenden Gegenstand ausübt und so während der Aktivierungszeit t_A diesen Gegenstand kraftschlüssig an die Auflagefläche koppelt, und
– eine Ansteuereinrichtung zur Vorgabe von Aktivierungszeiten t_A für ausgewählte Aktoren, wobei
– mit der Ansteuereinrichtung Beginn und Ende der Aktivierungszeiten t_A in Abhängigkeit von vorbestimmten Phasen der schwingenden Bewegung veranlaßt werden.

Mit den periodisch wiederkehrenden Richtungskomponenten in den Koordinaten X, Y und/oder φ während der Bewegung der Auflagefläche wird erreicht, daß deren Bewegung während jeder Periode kurzzeitig in Richtungen weist, in die einer oder mehrere der aufliegenden Gegenstände befördert werden sollen.
Aufgrund der Vielzahl der nebeneinander angeordneten Aktoren, die unabhängig voneinander ansteuerbar sind und deren Größe bzw. Ausdehnung in den Koordinaten X, Y unter Berücksichtigung der Ausdehnung und Masse der Gegenstände so bemessen sind, daß mit der Ansteuerung eines oder mehrerer Aktoren eine Normalkraft F_N generiert wird, die auf einen Gegenstand wirkt, kann dieser Gegenstand an einer vorgegebenen Position auf der Auflagefläche gehalten werden.
Werden ein oder mehrere Aktoren, in deren Wirkungsbereich sich ein Gegenstand befindet, aktiviert, so erzeugen diese die Normalkraft F_N, durch die dieser Gegenstand an die Auflagefläche gekoppelt wird.
Dabei ist es in Abhängigkeit von der Größe der Normalkraft F_N sowohl möglich, daß der Gegenstand fest an die Auflagefläche gekoppelt wird und keine Relativbewegung zwischen dem Gegenstand und der Auflagefläche stattfindet als auch, daß der Gegenstand über die Auflagefläche gleitet, daß also auch im aktivierten Zustand von Aktoren, in dessen Wirkungsbereich sich der betreffende Gegenstand befindet, eine Relativbewegung zwischen diesem Gegenstand und der Auflagefläche stattfindet.
Im ersten Fall wird aufgrund einer verhältnismäßig stark wirkenden Normalkraft F_N die schwingende Bewegung der Auflagefläche auf diesen Gegenstand übertragen, und zwar so lange, bis die Deaktivierung erfolgt bzw. die Wirkung der Normalkraft F_N aufgehoben oder verringert wird.
Die Zeitdauer, während der die Normalkraft F_N wirkt und die Kopplung des Gegenstandes an die Auflagefläche erfolgt, wird im Rahmen dieser Erfindung als Aktivierungszeit t_A bezeichnet.
Im zweiten Fall ist die Wirkung der von den Aktoren erzeugten Normalkraft F_N schwächer, die Bewegung der Auflagefläche wird nicht vollständig auf den Gegenstand übertragen, sondern es findet trotz des aktivierten Zustandes der Aktoren eine Relativbewegung zwischen Gegenstand und Auflagefläche statt. Dabei wird jedoch trotz der Relativbewegung, bedingt durch die Reibkraft zwischen Gegenstand und Auflagefläche, ein Bewegungsimpuls auf den Gegenstand übertragen. Dieser Bewegungsimpuls hat eine Richtung, die durch den Bewegungsverlauf bzw. die Bewegungsrichtungen der Auflagefläche während der Aktivierungszeit t_A bestimmt wird. Dabei ist das Vorzeichen des Impulses so gerichtet, daß der Gegenstand in Richtung der Relativbewegung beschleunigt wird.
Sind dagegen keine Aktoren aktiv und wirken demzufolge keine Normalkräfte F_N auf einen oder mehrere Gegenstände ein, wirkt lediglich eine durch die Schwerkraft hervorgerufene Normalkraft F_N0. Die betreffenden Gegenstände sind dadurch nur geringfügig an die Auflagefläche gekoppelt bzw. werden nicht zwangsweise mit der Bewegung der Auflagefläche mitgenommen. Dabei sind die Gegenstände relativ zur Auflagefläche in den Koordinaten X, Y verschiebbar bzw. um eine Normale auf die Auflagefläche in der Koordinate φ verdrehbar.
In diesem Zustand findet ebenfalls eine Relativbewegung zwischen den Gegenständen und der Auflagefläche statt, die von der Übertragung eines Impulses von der Auflagefläche auf den jeweiligen Gegenstand beeinflußt ist.
Soll in dem beschriebenen zweiten Fall, bei dem die schwingende Bewegung nicht vollständig übertragen wird, ein Gegenstand in eine vorgegebene Richtung parallel zur Auflagefläche verschoben werden, so werden dann, wenn die Auflagefläche bei ihrer wechselnden und wiederkehrenden Bewegung Bewegungskomponenten in der gewünschten Richtung hat, die Aktoren aktiviert, in dessen Wirkungsbereich sich der Gegenstand augenblicklich befindet. Es werden die entsprechenden Normalkräfte F_N wirksam, der Gegenstand unter Einwirkung dieser Normalkräfte F_N an die Auflagefläche gekoppelt und somit Bewegungsimpulse in der gewünschten Bewegungsrichtung auf diesen Gegenstand übertragen, die dem Reibfaktor μ, der Normalkraft F_N und der Zeit, in der die Normalkraft F_N wirkt, proportional sind.
Dieser Vorgang der Ankopplung und Übertragung von Bewegungsimpulsen kann mit jedem Zyklus bzw. jeder Periode der wiederkehrenden Bewegung der Auflagefläche wiederholt werden. Der Gegenstand wird dann in der gewünschten Bewegungsrichtung zunehmend beschleunigt.
Im beschriebenen ersten Fall, bei dem die schwingende Bewegung vollständig auf den Gegenstand übertragen wird, wird über einen von der Ansteuereinrichtung ausgegebenen Abschaltbefehl die Aktivierungszeit t_A beendet, wenn eine Bewegungskomponente im wesentlichen in die Richtung weist, in die der betreffende Gegenstand verschoben werden soll, wobei Nachlauf- bzw. Verzögerungszeiten zu berücksichtigen sind.
Die durch Bewegungsimpulse auf den Gegenstand übertragene Bewegungsenergie wird nun freigesetzt, und der entkoppelte Gegenstandes führt über die Auflagefläche gleitend eine Bewegung in der vorgegebenen Richtung aus.
Dabei kann sich der Gegenstand von einer Ausgangsposition über Aktoren hinweg bewegen, die nicht aktiviert sind. Soll der sich über die Aktoren bewegende Gegenstand an einer vorgegebenen Sollposition, auch als Zielposition bezeichnet, auf der Auflagefläche festgehalten werden, ist dies mit der erfindungsgemäßen Anordnung auf verschiedene, nachfolgend geschilderte Weise möglich.
So kann in einer ersten Ausgestaltungsvariante vorgesehen sein, daß die gleitende Bewegung des Gegenstandes relativ zur Auflagefläche dann gezielt beendet wird, wenn dieser einen bestimmten Weg s zurückgelegt hat, indem ein oder mehrere Aktoren aktiviert werden, die sich in einer dem Weg s entsprechenden Entfernung von der Position befinden, an welcher der Gegenstand zuvor von der Auflagefläche entkoppelt worden ist.
In einer zweiten Ausgestaltungsvariante kann vorgesehen sein, daß der sich bewegende Gegenstand, wenn er sich einer vorgegebenen Zielposition nähert, abgebremst wird, indem Aktoren in einer Bewegungsphase der Auflagefläche aktiviert werden, in der ihre Bewegung Richtungskomponenten besitzt, die der Bewegungsrichtung des Gegenstandes entgegengesetzt sind. Auf Grund der Reibung und auf Grund der von den aktivierten Aktoren erzeugten Normalkräfte F_N wird die Bewegungsenergie des Gegenstandes abgebaut. Dieser Vorgang kann mit jedem Zyklus der schwingenden Bewegung der Auflagefläche so oft wiederholt werden, bis der Gegenstand zum Stillstand gekommen ist.
Im Stillstand erfolgt keine Kopplung des Gegenstandes an die Auflagefläche, so daß sich die Auflagefläche unter dem Gegenstand bewegt, ohne den Gegenstand zu beschleunigen. In Abhängigkeit von den Reibkräften zwischen Auflagefläche und den Gegenständen kann jeder Gegenstand nahezu in einer relativen, beispielsweise auf ein Gestell bezogenen Zielposition verharren, während sich die Auflagefläche relativ zu diesem Gestell bewegt. Kommt es allerdings zu Abweichungen von dieser Position, wird der beschriebene Vorgang der Bewegung des Gegenstandes wieder so lange und so oft in Gang gesetzt, bis der Gegenstand wieder die gewünschte Zielposition einnimmt.
Erfolgt dann wieder mit der Aktivierung von Aktoren die Kopplung des Gegenstandes an die Auflagefläche, wird die Bewegung auf den Gegenstand übertragen, und zwar wiederum für die Dauer der Aktivierungszeit t_A. Mit Beendigung der Aktivierungszeit t_A kann der Gegenstand sofort wieder entkoppelt werden, sobald die übertragene Bewegung in Richtungskomponenten stattfindet, die einer Richtung R entsprechen, in welche dieser Gegenstand weiter befördert werden sollen. Dies kann mit mehreren der vorhandenen Gegenstände gleichzeitig und unabhängig voneinander in verschiedenen , Richtungen vorgenommen werden.
Die Aktivierungszeit t_A kann so vorgegeben werden, daß sowohl die Ankopplung eines Gegenstandes an die Auflagefläche als auch dessen Entkopplung von der Auflagefläche innerhalb von einem Zyklus bzw. einer Periode der schwingenden Bewegung der Auflagefläche erfolgt. Bei einer Kreisbewegung kann also sowohl die Ankopplung als auch die Entkopplung erfolgen, noch bevor die Auflagefläche bzw. jeder Punkt der Auflagefläche einmal eine Kreisbahn in der Ebene X, Y beschrieben hat.
Andererseits ist es denkbar, die Aktivierungszeit t_A auszudehnen und ausgewählte Gegenstände für längere Zeit an die Auflagefläche zu koppeln, so daß diese Gegenstände die Richtungskomponenten in den Koordinaten X, Y bzw. φ mehrfach wiederholt durchlaufen, bis die Entkopplung von der Auflagefläche durch Beendigung der Aktivierungszeit t_A veranlaßt wird.
Bevorzugt sind die Aktoren in einem Array aus Zeilen i und Spalten j angeordnet, wobei die Zeilen i parallel zur Koordinatenrichtung X und die Spalten j parallel zur Koordinatenrichtung Y ausgerichtet sind. Damit befindet sich jeder der Aktoren an einer durch Koordinaten x, y definierten Position P_x,y der Auflagefläche.
Die Auflagefläche ist vorteilhaft durch die Summe von Außenflächen der nebeneinander angeordneten und dabei fest miteinander verbundenen Aktoren gebildet.
Das Vorhandensein von Reibung zwischen den Berührungsflächen der Gegenstände und der Auflagefläche ist funktionsnotwendig. Dabei kann die Reibungszahl μ prinzipiell in einem großen Bereich liegen. Die als Koppelkraft wirkende Reibkraft F_ι0 = μ∙m∙g (mit m der Masse eines Gegenstandes und g = 9,81 m/s² als Erdbeschleunigung) im nichtaktiven Zustand der Aktoren, die durch die auf die Gegenstände wirkende Schwerkraft hervorgerufen wird, darf allerdings nur so groß sein, daß sie bei der schwingenden Bewegung der Auflagefläche durch die Trägheitskräfte F_T = m∙a_max (mit a_max der maximalen Beschleunigung der Auflagefläche) der Gegenstände überwunden wird. Daraus läßt sich ableiten, daß die Reibungszahl μ kleiner als das Verhältnis von a_max zu g sein muß.
Bei einer kreisförmigen Bewegung der Auflagefläche mit einer Drehzahl von beispielsweise 3000 Umdrehungen/min (dies entspricht einer Winkelbeschleunigung von Ω = 314 rad/s) und einer Exzentrizität von r = 1 mm entstehen maximale Beschleunigungen von a_max = r∙Ω² = 98,6 m/s². Unter diesen Bedingungen würde die erfindungsgemäße Anordnung selbst noch mit einer hypothetischen Reibungszahl von μ = 10 arbeiten. Die Reibungszahl einer Reibpaarung von Stahl gegen Stahl liegt in der Größenordnung von μ ≈ 0,1 .
Zur Erzeugung der schwingenden Bewegung eines solchen Verbundes von Aktoren mit einer Auflagefläche für die Gegenstände kann beispielsweise eine Antriebseinrichtung genutzt werden, die eine Kreisbewegung der Auflagefläche in der Ebene X, Y erzeugt.
Eine solche Antriebseinrichtung kann aus einem über ein Exzentergetriebe mit den Aktoren und somit der Auflagefläche verbundenem Rotationsmotor bestehen, so daß diese die Kreisbewegung in der Ebene X, Y ausführen.
Alternativ hierzu ist es denkbar, Linearmotoren zu verwenden, um die Richtungskomponenten in den Koordinaten X, Y und/oder φ zu erzeugen. Dabei können beispielsweise zwei unabhängig voneinander ansteuerbare Linearmotoren genutzt werden, von denen einer die Richtungskomponente in der Koordinate X und der andere die Richtungskomponente in der Koordinate Y generiert, oder es können vier Linearmotoren vorgesehen sein, die in ihrem Zusammenwirken eine schwingende Bewegung in den Koordinaten X, Y und φ ermöglichen. Wie dies bewerkstelligt werden kann, ist beispielsweise zu entnehmen aus Stöltig, N.; Kallenbach, E.: „Handbuch elektrischer Kleinantriebe", Karl Hanser Verlag 2002, insbesondere Kapitel 4.2.3., Seiten 178 bis 191.
Eine weitere Möglichkeit, die schwingende Bewegung zu erzeugen, ergibt sich aus DE 197 12 893 A1 , wo ein ebenfalls für diese Zwecke geeigneter Mehrkoordinatenantrieb beschrieben ist.
Bevorzugt sollte der Verbund von Aktoren über elastische, die schwingende Bewegung aufnehmende Elemente gegen eine gestellfeste Grundplatte abgestützt sein. Bei einer solchen Ausführung der erfindungsgemäßen Anordnung sind die Antriebe geselltest angeordnet und übertragen mit ihren jeweiligen Abtriebselemente die zu erzeugende Bewegung auf den Verbund aus Aktoren.
Dabei kann es vorteilhaft sein, wenn die elastischen Elemente und die zu bewegende Masse der Aktoren einschließlich der Auflagefläche so abgestimmt sind, daß sie sich bei der schwingenden Bewegung in der Resonanz befinden. Damit kann die zur Aufrechterhaltung der Bewegung notwendige Energie deutlich gesenkt werden.
Die Aktoren sollten im wesentlichen aus einer Spule und einem Joch bestehen, wobei das Joch aus einem magnetisch leitfähigen Material gefertigt ist. In diesem Falle bilden die Außenflächen der Joche in ihrer Summe die Auflagefläche für die Gegenstände. Die Gegenstände bestehen dann zumindest teilweise ebenfalls aus magnetisch leitfähigem Material, und die Koppelkräfte werden elektromagnetisch erzeugt.
Die Außenflächen der Joche, die in ihrer Summe die Auflagefläche bilden, sind bezüglich ihrer Ausdehnung unter Berücksichtigung der Ausdehnung und Masse der Gegenstände jeweils so dimensioniert, daß zwei dicht nebeneinander liegende Gegenstände noch unabhängig voneinander in Bewegung gesetzt werden können.
Mit anderen Worten: Bei der konstruktiven Ausführung der erfindungsgemäßen Anordnung wird die maximale Ausdehnung der Aktoren und ihrer Wirkungsbereiche in Abhängigkeit davon festgelegt, mit welchen minimalen Abständen die Gegenstände aneinander vorbei bewegt werden sollen. Haben die Aktoren bzw. ihre Wirkungsbereiche eine geringe Ausdehnung in der Auflageebene, können die Gegenstände dicht aneinander vorbei verschoben werden.
Je kleiner aber die Außenflächen der Joche im Vergleich zu der Ausdehnung der Gegenstände in der X,Y-Ebene sind, um so mehr Aktoren müssen angesteuert bzw. aktiviert werden, um einen Gegenstand in Bewegung zu setzen oder in Bewegung zu halten. Diesbezüglich wird ein guter Kompromiß erzielt, wenn die Außenflächen der Joche wie die aufliegenden Flächen an den Gegenständen kreisrund mit etwa gleich großen Durchmessern ausgeführt werden.
Mit der Erhöhung der Normalkräfte F_N während der Ansteuerung der Aktoren durch Erhöhung der Amplitude des Erregerstromes können zunehmende Beschleunigungen auf die zu bewegenden Gegenstände übertragen werden.
Im Rahmen der Erfindung liegt es ferner, alternativ zur elektromagnetischen Erzeugung der Normal- bzw. Koppelkräfte elektrostatisch arbeitende Aktoren zu nutzen. Dabei werden in an sich bekannter Weise durch das Anlegen von elektrischen Spannungen an Elektroden von den Aktoren ausgehende Anziehungskräfte erzeugt. Die Gegenstände sollten dann zumindest an ihren aufliegenden Flächen elektrisch nichtleitend sein.
Im Gegensatz zum Stand der Technik ist es mit der erfindungsgemäßen Anordnung möglich, Normalkräfte F_N auf die Gegenstände zu übertragen, ohne daß Zuführleitungen zur Übertragung von Steuerbefehlen oder Energie zu den Gegenständen erforderlich sind, und es können mehrere Gegenstände gleichzeitig und unabhängig voneinander bewegt werden. Ein wesentlicher Nachteil des Standes der Technik ist damit behoben.
In einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung ist eine optische Beobachtungseinrichtung vorgesehen, beispielsweise eine CCD-Kamera, die zur Erfassung der jeweiligen Istpositionen der Gegenstände, im folgenden auch als Ausgangspositionen der Bewegung bezeichnet, und ihrer auf die Winkellage φ bezogenen Verdrehung auf der Auflagefläche dient. Zwecks Übermittlung der Positionsangaben steht die optische Beobachtungseinrichtung mit der Ansteuereinrichtung in Verbindung, die aus den Positionsangaben unter Berücksichtigung der aktuellen Richtungskomponenten der Aktorenbewegung und unter Berücksichtigung der Auswahl der zu bewegenden Gegenstände die zu aktivierenden Aktoren sowie die Zeitpunkte der Aktivierung ermittelt.
Mit anderen Worten: Die Beobachtungseinrichtung dient zur Feststellung, welche Aktoren zu aktivieren sind, um einen sich in einer Istposition befindenden Gegenstand an die Auflagefläche zu koppeln, und in welche Richtung dieser Gegenstand zu bewegen ist, damit er eine bestimmte Zielposition erreicht.
Zur Festlegung der Positionen der Gegenstände können diese mit Markierungen versehen sein, wobei dann vereinbarungsgemäß gilt, daß sich ein Gegenstand an einer vor gegebenen Position befindet, wenn die diesem Gegenstand zugeordnete Markierung sich an dieser Position, bezogen auf die Koordinaten X, Y und/oder φ, befindet.
Eine besonders bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß eine Einrichtung zur Erfassung der aktuellen Richtungskomponenten in den Koordinaten X, Y und/oder φ bei der Bewegung der Aktoren vorhanden ist. In dem Falle, in dem die Auflagefläche bzw. der Verbund von Aktoren eine fortlaufende Kreisbewegung um den Winkel α = 360° in der Ebene der Koordinaten X, Y ausführt, kann diese Einrichtung beispielsweise ein Meßwertgeber zur Erfassung des aktuellen Winkels α bzw. der Phase der Kreisbewegung sein.
Diese Einrichtung ist dann ebenfalls mit der Ansteuereinrichtung verbunden, so daß in der Ansteuereinrichtung unter Zugrundelegung der jeweils aktuellen Richtungskomponente in den Koordinaten X, Y und/oder φ und beispielsweise des aktuellen Winkels α der Kreisbewegung sowohl der Zeitpunkt des Einschaltbefehls als auch des Abschaltbefehls für den Erregerstrom und damit für die Aktivierungszeit t_A ermittelt und an die betreffenden Aktoren ausgegeben wird.
Bei der konstruktiven Ausführung der Auflagefläche, auf der die Gegenstände aufliegen, sind unterschiedliche Varianten denkbar. So kann beispielsweise vorgesehen sein, daß die in einem Array aus Zeilen und Spalten nebeneinander angeordneten Aktoren mit einander vergossen sind, so daß sich aus den Aktoren und der Vergußmasse ein kompakter Verbund ergibt, dessen Oberseite von den Abschlußflächen der Joche der Aktoren gebildet wird und als Auflagefläche für die Gegenstände dient.
Um diesem Verbund eine größere mechanische Stabilität zu verleihen, kann auf der der Auflagefläche abgewandten Seite eine durchgehende Platte angebracht und mit den Aktoren verbunden sein.
Alternativ dazu ist es denkbar, eine dünne Auflageplatte vorzusehen, an deren Oberseite die Auflagefläche ausgebildet ist und an deren Unterseite sich die in einem Array angeordneten Aktoren befinden, wobei die Auflageplatte ebenso wie die Aktoren die schwingende Bewegung in den Koordinaten X, Y und/oder φ ausführt.
Zusätzlich oder auch anstelle einer solchen Auflageplatte kann eine dünne Beschichtung aus einem besonders verschleißfesten Material aufgebracht sein, auf der die Ge genstände bei ihrer Verschiebung gleiten.
Eine weitere Ausgestaltungsmöglichkeit besteht darin, eine Auflageplatte vorzusehen, die an ihrer Oberseite die Auflagefläche für die Gegenstände aufweist und bei der parallel zu ihrer Unterseite das Array aus nebeneinander angeordneten Aktoren angeordnet ist, wobei jedoch nur die Aktoren die schwingende Bewegung ausführen und die Auflageplatte einschließlich der aufliegenden Gegenstände sich in relativer Ruhe zu den Aktoren befindet. Mit der Aktivierung eines oder mehrerer der sich bewegenden , Aktoren werden durch die Auflageplatte hindurch auf die sich im Wirkungsbereich dieser Aktoren befindenden Gegenstände Normalkräfte F_N ausgeübt.
Diesbezüglich ist auch die Umkehrung denkbar, nämlich daß die Auflageplatte sich schwingend bewegt und die Aktoren unter der Auflageplatte sich in relativer Ruhe dazu befinden.
In einer besonderen Anwendung und entsprechenden Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Anordnung ist es möglich, die Aktoren so anzusteuern, daß auf die Gegenstände sowohl Normalkräfte F_N als auch in den Koordinatenrichtungen X,Y und/oder φ wirkende Vorschubkräfte ausgeübt werden, die durch die anziehenden Kräfte der Aktoren auf die Gegenstände in der Bewegungsebene entstehen.
Dabei müssen die Vorschubkräfte F_t, die Normalkräfte F_N und die Reibungszahl μ so bemessen sein, daß die Flächenpressung zwischen Auflagefläche und den Gegenständen unter Einwirkung der Normalkräfte F_N zwar erhöht wird, die Reibung zwischen Auflagefläche und diesen Gegenständen jedoch so gering ist, daß aufgrund der Vorschubkräfte F_t die Gegenstände über die Auflagefläche hinweggleitend die schwingende Bewegung der Aktoren aufnehmen und für die Dauer der Aktivierungszeit t_A mit dieser Bewegung mitgenommen werden. Die Entkopplung der betreffenden Gegenstände und ihre Weiterbewegung erfolgt dann in der Weise wie oben beschrieben.
Die Anwendungsmöglichkeiten der erfindungsgemäßen Anordnung sind vielfältig. So kann z.B. vorgesehen sein, daß die Gegenstände mit Aufnahmen für Garnspulen versehen sind, von denen das Garn zu einer Web- oder Klöppeleinrichtung geführt wird. Werden die Positionsänderungen der Spulen auf der Auflagefläche während eines maschinellen Web- oder Klöppelvorgangs durch ein entsprechendes Zeit-Plan-Regime vor gegeben, wird auf diese Weise die automatische Herstellung komplizierter textiler Erzeugnisse unterstützt.
Eine weitere Anwendung, die lediglich beispielhaft erwähnt sei, besteht darin, auf den Gegenständen Figuren, etwa Schach- oder anderweitige Spielfiguren anzuordnen, die infolge eines entsprechenden Ansteuerprogramms in vorgegebener Weise über die Auflagefläche, die in diesem Falle der Fläche eines Spielfeldes entspricht, geführt werden.
Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:
1 den prinzipiellen Aufbau der erfindungsgemäßen Anordnung in einer Perspektivansicht,
2 eine Vergrößerung aus 1 mit einem Teilschnitt durch einige Aktoren,
3 ein Beispiel für den Bewegungsablauf bei einer Kreisbewegung aller Punkte der Auflagefläche und der Abläufe beim Aufbau einer Normalkraft F_N in Abhängigkeit von der Aktivierung und Deaktivierung eines Aktors bei vorgegebenen Drehwinkeln,
4 ein Diagramm zur Darstellung der Zeitpunkte der Aktivierung und Deaktivierung eines Aktors in Abhängigkeit vom Drehwinkel,
5 den Geschwindigkeitsverlauf der Auflagefläche bei der Bewegungsübertragung auf einen Gegenstand,
6 ein Beispiel für den Steuer- und Bewegungsablauf bei der Beförderung eines Gegenstandes von einer Ausgangsposition P_x1,y1 in eine Zielposition P_x2,y2.
7 ein Ausführungsbeispiel für eine Antriebseinrichtung zur Erzeugung einer schwingenden kreisförmigen Bewegung der Auflagefläche,
8 ein Prinzipschaltbild zur Auswahl und Ansteuerung von Aktoren in Abhängigkeit von einer gewünschten Richtung, in die ein Gegenstand bewegt werden soll, und
9 eine Möglichkeit, eine kreisförmigen Bewegung der Auflagefläche mit einer Antriebseinrichtung zu erzeugen, die aus vier einzelnen Linearmotoren aufgebaut ist.
In 1 ist eine Auflagefläche 1 zu erkennen, die sich in den Koordinaten X und Y erstreckt, und auf der hier beispielsweise zwei Gegenstände 2.1 und 2.2 aufliegen. Die Anzahl der Gegenstände 2.1 , 2.2 ist variabel. Sie ist abhängig von dem Anwendungszweck der Anordnung und außerdem auch von der Größe der Gegenstände 2.1 , 2.2 in Relation zur Ausdehnung der Auflagefläche 1.
Die Auflagefläche 1 ist an der Oberfläche eines Verbundes aus einer Vielzahl von Aktoren 3(i,j) gebildet, die durch eine Vergußmasse 4, beispielsweise ein Epoxidharz des Typs „Spezifix 20" der Firma Struers, zusammengehalten werden.
Die Aktoren sind in einem Array aus Zeilen i = a,b,c,... und Spalten j = a,b,c,... angeordnet. Damit hat jeder der Aktoren 3(i,j) eine festgelegte Position P_x,y in der Auflagefläche 1, die jeweils durch den Schnittpunkt einer Zeile i und einer Spalte j festgeschrieben ist.
In 2 ist eine Einzelheit A aus 1 vergrößert dargestellt. Daraus ist ersichtlich, daß die Aktoren im wesentlichen aus einer Spule 5 und einem topfförmigen, die Spule 5 aufnehmenden Joch 6 bestehen. Das Joch 6 ist aus einem magnetisch leitfähigen Material, z. B. aus Weicheisen gefertigt. Von den Wicklungen der Spulen 5 sind Anschlußleitungen 7 herausgeführt und mit einer Ansteuereinrichtung 8 verbunden.
Abweichend von der zeichnerischen Darstellung können die Joche 6 an ihrer äußeren Wandung über die gesamte Höhe mit Schlitzen versehen sein, durch die die Anschlußleitungen 7 herausgeführt werden. Damit wird auch erreicht, daß die bei der Ansteuerung der Aktoren 3(i,j) entstehenden Wirbelströme verkleinert werden. Ebenfalls können die zu bewegenden Gegenstände mit einem Schlitz versehen werden, um die Wirbelströme zu verkleinern.
Mittels der Ansteuereinrichtung 8 (vgl. auch 6 und 8) ist es möglich, je nach Vorgabe ausgewählte Aktoren 3(i,j) einzeln anzusteuern und zu aktivieren, indem für die Dauer einer Aktivierungszeit t_A die Spule 5 des entsprechenden Aktors 3(i,j) mit einem Erregerstrom einer vorgegebenen Amplitude 1 beaufschlagt wird.
Jeder der Gegenstände 2.1 , 2.2 ist zumindest teilweise aus einem magnetisch leitfähigen Material gefertigt, so daß in der Zusammenwirkung eines angesteuerten Aktors und eines sich in dessen Wirkungsbereich befindenden Gegenstandes 2.1, 2.2 eine Magnetkraft erzeugt wird, die im wesentlichen in Richtung der Normalen auf die Aufla gefläche 1 wirkt und insofern die bereits durch das Eigengewicht des Gegenstandes 2.1 oder 2.2 gegebene Auflagekraft auf die Auflagefläche erhöht, wodurch die Normalkraft F_N auf den Gegenstand wirkt.
Aus l ist weiterhin ersichtlich, daß der Verbund aus Aktoren 3(i,j) über elastische Elemente 9 gegen eine Grundplatte 10 abgestützt ist.
Des weiteren ist eine Antriebseinrichtung 11 vorhanden, durch die der Verbund aus Aktoren 3(i,j) in eine schwingende Bewegung mit stetig wechselnden, wiederkehrenden Richtungskomponenten in den Koordinaten X, Y versetzt werden kann. In einer besonderen Ausgestaltung kann die Antriebseinrichtung 1 1 auch zur Erzeugung einer Bewegungskomponente φ ausgebildet sein, um bei Bedarf auf die Gegenstände 2.1 , 2.2 auch einen Verdrehimpuls übertragen zu können, wie weiter unten noch näher erläutert wird.
Die Antriebseinrichtung 11 weist im einfachsten Fall einen Rotationsmotor auf, der über ein Exzentergetriebe mit dem Verbund aus Aktoren 3(i,j) gekoppelt ist, so daß die Aktoren 3(i,j) fortlaufend eine Kreisbewegung um den überstrichenen Winkel α in der Ebene X,Y ausführen, beispielsweise eine Kreisbewegung mit einem Radius r = 0,5 bis 3 mm.
Dabei kompensieren die elastischen Elemente 9 die Kreisbewegung so, daß die Grundplatte 10 in relativer Ruhe zu den im Takt der Kreisbewegung schwingenden Aktoren 3(i,j) verharrt und dabei auch ihre Orientierung in der X,Y-Ebene nicht ändert.
Bezüglich der schwingenden Bewegung in den Koordinaten X,Y kann die mechanische Steifigkeit c der Elemente 9 gegen eine Bewegung in den Koordinaten X,Y so abgestimmt sein, daß sich zusammen mit dem Verbund von Aktoren, der eine Masse m_v besitzt, Resonanzen bei der Frequenz f = n ergeben, mit der auch die Auflagefläche 1 in schwingende Bewegung versetzt wird. Dabei gilt
Alternativ zu der Ausgestaltung der Antriebseinrichtung 11 mit einem Rotationsmotor und einem Exzentergetriebe kann die Antriebseinrichtung 11 auch zwei unabhängig voneinander ansteuerbare Linearmotoren zur Generierung der Richtungskomponenten in den Koordinaten X, Y, oder, in einer besonderen Ausgestaltung, die weiter unten anhand 9 näher beschrieben ist, auch vier Linearmotoren X_A, X_B, Y_A, Y_B umfassen, die zur Generierung der Richtungskomponenten in den Koordinaten X, Y und φ genutzt werden.
Nachfolgend soll anhand 3 die Betriebsweise der erfindungsgemäßen Anordnung näher beschrieben werden. Der besseren Verständlichkeit halber wird bei der Beschreibung davon ausgegangen, daß die Auflagefläche 1 eine kreisförmige Bewegung in der Ebene X, Y ausführt und eine Verschiebung bzw. Positionsveränderung lediglich des Gegenstandes 2.1 vorgenommen werden soll.
Es sei angenommen, daß zwischen dem Gegenstand 2.1 und der Auflagefläche 1 eine Reibungszahl im Bereich μ ≈ 0,1 wirkt.
Führen die Aktoren 3(i,j), hervorgerufen durch die Antriebseinrichtung 11, eine kreisförmige Bewegung in der Ebene X,Y aus, so bewegen sich alle Punkte der Auflagefläche 1 wie in 3 dargestellt auf einer Kreisbahn mit dem Radius r. Dabei ist der Winkel α der bei der Kreisbewegung überstrichene Winkel, die Winkel α₀ bis α₃ sind momentane Winkel während der Kreisbewegung und Δα_r, Δα_f, Δα_A sind jeweils Winkelbereiche auf der Kreisbahn. Der Winkel γ beschreibt die Richtung, in der sich der Gegenstand bewegen soll.
So hat die Bezeichnung α₀ in 3 die Bedeutung der Winkelposition im Augenblick des Beginns der Ansteuerung eines Aktors bzw. der Winkelposition in der Phase der Kreisbewegung, bei der der Aufbau einer Normalkraft F_N beginnt. Die Bezeichnung Δα_r steht für den Winkelbereich der Kreisbewegung, der von der Winkelposition α₀ bis zum voIlen Wirksamwerden der Normalkraft F_N zurückgelegt wird. Die Normalkraft F_N ist bei der Winkelposition α₁ voll entfaltet und der Gegenstand 2.1 wird über den Aktivierungsbereich Δα_A an die Auflagefläche 1 und damit an die Kreisbewegung gekoppelt.
In der Winkelposition α₂ wird der Erregerstrom für den Aktor abgeschaltet und die Normalkraft F_N, die den Gegenstand 2.1 kraftschlüssig mit der Auflagefläche 1 verbindet, wird von dieser Winkelposition α₂ an schwächer. Die von dem angesteuerten Aktor erzeugte Normalkraft F_N nimmt ab, während der Winkelbereich Δα_f überstrichen wird, und hört bei der Winkelposition α₃ auf zu wirken.
Während der Zeit, in der die Normalkraft F_N wirkt, wird Bewegungsenergie auf den Gegenstand 2.1 übertragen, was zur Folge hat, daß sich der Gegenstand 2.1 nach seiner Entkopplung über die Auflagefläche 1 hinweg in eine gewünschte, mit dem Zeitpunkt des Abschaltens des Erregerstroms beeinflußte Richtung R bewegt, die durch den Winkel γ_Bew charakterisiert ist, den die Richtung R mit der Koordinate X einschließt.
Der Vorgang bei der Aktivierung und Deaktivierung eines Aktors in Abhängigkeit von Winkelpositionen α soll ergänzend anhand 4 erläutert werden. In 4 bedeuten i_Aktor die Größe des Eingangsstroms des Aktors, α den überstrichenen Winkel im Verlauf der Kreisbewegung, α₀ die Winkelposition beim Einschalten des Erregerstromes, α₁ die Winkelposition bei Beginn der vollen Wirksamkeit der Normalkraft F_N, α₂ die Winkelposition beim Abschalten des Erregerstroms, α₃ die Winkelposition bei Ende der Wirksamkeit der Normalkraft F_N, Δα_r den Winkelbereich der Kreisbewegung, der von der Winkelposition α₀ bis zum vollen Wirksamwerden der Normalkraft F_N überstrichen wird, Δα_A den Aktivierungsbereich, über den der Gegenstand 2.1 an die Kreisbewegung gekoppelt ist und Δα_f den Winkelbereich der überstrichen wird, bis die Normalkraft F_N aufhört zu wirken.
Dabei entsprechen in Abhängigkeit von der Kreisbewegung: Δα_r dem Zeitabschnitt t_r, in dem die Normalkraft F_N aufgebaut wird, Δα_A dem Zeitabschnitt bzw. der Aktivierungszeit t_A, in der der Gegenstand 2.1 bei voller Wirksamkeit der Normalkraft F_N an die Kreisbewegung gekoppelt ist, und Δα_f dem Zeitabschnitt t_f, in dem die Normalkraft F_N abgebaut wird.
Hieraus ist erkennbar, daß der angesteuerte Aktor 3(i,j) im Hinblick auf eine gewünschte Bewegungsrichtung R des Gegenstandes 2.1 mit einem bestimmten Vorhaltewinkel, bezogen auf die Drehphase, aktiviert bzw. deaktiviert wird. Die Funktionen zur Bestimmung des Vorhaltewinkels lauten
Die Winkel α_r und α_f können Werte von etwa 5° bis 15° annehmen. Das ist davon abhängig, wie schnell die Ströme bzw. Kräfte aufgebaut und wieder abgebaut werden. Der Winkelbereich Δα_A kann beispielsweise fest auf 90° eingestellt werden. Es ist aber auch möglich, den Winkelbereich Δα_A in Abhängigkeit von der Größe des zu übertragenden Bewegungsimpulses zwischen 0° und 180° variabel einzustellen.
Die Normalkraft F_N, die auf diese Weise von einem Aktor 3(i,j) erzeugt wird, ist proportional zum Quadrat des Eingangs- bzw. Erregerstroms für den betreffenden Aktor. Es gilt F_N ~ i_Aktor ².
Während der Aktivierungszeit t_A wird aufgrund der Reibung zwischen Gegenstand 2.1 und Auflagefläche 1 ein Impuls übertragen, der dem Reibfaktor μ, der Normalkraft F_N und der Zeit, in der die Normalkraft F_N wirkt, proportional ist. Dabei ist das Vorzeichen des Impulses so gerichtet, daß der Gegenstand in Richtung der Relativbewegung beschleunigt wird. Während der übrigen Zeit, wenn kein Aktor 3(i,j) aktiviert ist bzw. sich der Gegenstand 2.1 nicht im Wirkungsbereich eines aktivierten Aktors 3(i,j) befindet, sind die Reibkräfte und damit auch der von der Auflagefläche 1 auf den Gegenstand 2.1 übertragene Bewegungsimpuls wesentlich kleiner und können vernachlässigt werden.
In S ist die Geschwindigkeit eines Punktes der Auflagefläche 1 bezogen auf die in 4 eingetragene gewünschte Bewegungsrichtung R dargestellt. Dabei bezeichnet v_R die Geschwindigkeit in der gewünschten Bewegungsrichtung R und v_Rq die Geschwindigkeit quer zur Bewegungsrichtung R. Die Aktivierung über die Dauer der Aktivierungszeit t_A hinweg erfolgt dann, wenn die Geschwindigkeit v_R positiv ist. Das heißt, während der Aktivierungszeit t_A wird ein Impuls in Bewegungsrichtung R übertragen. Wie weiterhin erkennbar ist, ist die Geschwindigkeit v_Rq während der Aktivierungszeit t_A sowohl positiv als auch negativ, so daß sich der Bewegungsimpuls in der nichtgewünschten Querrichtung zur Bewegungsrichtung R aufhebt.
Die Winkelpositionen, bei denen das Einschalten bzw. das Ausschalten des Erregungsstromes erfolgt, sind auch hier mit α₀ und α₂ gekennzeichnet. Der Bereich der Kurve, in dem die Bewegungsmitnahme des Gegenstandes 2.1 erfolgt, ist durch doppelte Strichstärke hervorgehoben.
Anhand eines Ausführungsbeispieles nach 6 wird im folgenden beschrieben, wie mit Hilfe der erfindungsgemäßen Anordnung der Gegenstand 2.1 beispielsweise von einer Ausgangsposition P_x1,y1 in eine Zielposition P_x2,y2 bewegt wird.
In 6 sind die Ausgangsposition P_x1,y1 und die Zielposition P_x2,y2 auf der Auflagefläche 1 angegeben. Der Gegenstand 2.1 ist in beiden Positionen dargestellt, wobei in der Ausgangsposition P_x1,y1 die Darstellung mit Vollinie, in der Zielposition P_x2,y2 mit unterbrochener Linie gewählt worden ist.
Des weiteren ist bei dem Ausführungsbeispiel nach 6 eine Kamera 12 vorgesehen, deren Blickfeld auf die Auflagefläche 1 gerichtet ist. Die Kamera 12 ist mit einem positionsempfindlichen Flächensensor ausgestattet, dessen Empfangsfläche im wesentlichen parallel zur Auflagefläche 1 ausgerichtet ist. Die Abmessungen der Empfangsfläche bzw. deren Seitenlängen sind etwa proportional zu der Ausdehnung der Auflagefläche 1.
Die Kamera 12 ist mit der Ansteuereinrichtung 8 kommunizierend verknüpft und übermittelt an die Ansteuereinrichtung 8 Informationen über die jeweils aktuelle Position des Gegenstandes 2.1 , im vorliegenden Falle zu Beginn des Positioniervorganges also über die Ausgangsposition P_x1,y1. Die Informationen werden mit dem positionsempfindlichen Flächensensor in vorgegebenen getakteten Zeitabständen gewonnen und in diesen Takten an die Ansteuereinrichtung 8 weitergegeben.
Bei dieser Ausgestaltungsvariante nach 6 wird davon ausgegangen, daß die Auflagefläche 1 wie weiter oben beschrieben eine kreisförmige Bewegung in der Ebene X,Y ausführt. Weiterhin sei angenommen, daß der Durchmesser der kreisförmigen Bewegung wesentlich kleiner ist als der Durchmesser der Aktoren bzw. der Wirkungsbereich der Aktoren. Beispielsweise beträgt der Durchmesser der kreisförmigen Bewegung 3 mm, der Wirkungsbereich der Aktoren sei ebenfalls kreisförmig mit beispielsweise einem Durchmesser von 10 mm.
Wie aus 6 ersichtlich ist, überdeckt der Gegenstand 2.1 in seiner Ausgangsposition P_x1,y1 die Aktoren 3(b,b; b,c; b,d; c,b; c,c; c,d). Die Positionen dieser Aktoren 3(i,j) auf der Auflagefläche 1 sind wie die Positionen der übrigen Aktoren 3(i,j) auch in der Ansteuereinrichtung 8 gespeichert. In der Ansteuereinrichtung 8 sind weiterhin Informationen über den Wirkungsbereich jedes einzelnen Aktors 3(i,j) gespeichert.
Mit der Kamera 12 wird die Ausgangsposition P_x1,y1 als aktuelle Position an die Ansteuereinrichtung 8 übermittelt. Aus den gespeicherten Informationen und den von der Kamera 12 aktuell übermittelten Informationen errechnet die Ansteuereinrichtung 8 stets diejenigen Aktoren 3(i,j), in deren Wirkungsbereich sich der zu Gegenstand 2.1 befindet.
Des weiteren ist eine Winkelmeßeinrichtung (zeichnerisch nicht dargestellt) vorhanden, die in mindestens der selben Taktfolge wie oben beschrieben Informationen über die jeweilige Winkelposition bei der kreisförmigen Bewegung an die Ansteuereinrichtung 8 weitergibt.
Soll nun der Gegenstand 2.1 von der Ausgangsposition P_x1,y1 in Richtung R in eine Zielposition P_x2,y2 bewegt werden, so werden in dem Augenblick, in dem die Kreisbewegung die Winkelposition α₀ erreicht hat (vgl. 3), von der Ansteuereinrichtung 8 durch Einschalten des Erregerstromes die Aktivierung der Aktoren 3(i,j) veranlaßt, in deren Wirkungsbereich sich der Gegenstand 2.1 aktuell befindet.
Es läuft nun der Vorgang ab, wie anhand 3 ausführlich beschrieben. Dabei wird die Normalkraft F_N generiert, was wie dargestellt zur Folge hat, daß der Gegenstand 2.1 mit der Kreisbewegung mitgeführt wird. Ist während der Kreisbewegung die Winkelposition α₂ erreicht, wird von der Ansteuereinrichtung 8 die Abschaltung des Erregerstromes für die beteiligten Aktoren 3(i,j) veranlaßt.
Infolgedessen wird die Normalkraft F_N schwächer, und ihre Wirkung hört bei der Winkelposition α₃ ganz auf. Dies hat zur Folge, daß sich der nun von der Auflagefläche 1 entkoppelte Gegenstand 2.1 unter Berücksichtigung einer trägheitsbedingten Zeitverzögerung in der gewünschten Richtung R über die Auflagefläche 1 hinweg bewegt.
Von der Kamera 12 wird in Taktzeiten aufgelöst der Weg des Gegenstandes 2.1 über die Auflagefläche 1 hinweg verfolgt und in Form von Informationen über die jeweiligen aktuellen Positionen sequentiell an die Ansteuereinrichtung 8 übermittelt. In Abhängigkeit davon wird von der Ansteuereinrichtung 8 fortlaufend die Aktivierung derjenigen Aktoren 3(i,j) vorgegeben, in deren Wirkungsbereich sich der Gegenstand 2.1 jeweils befindet, wobei die Deaktivierung dieser Aktoren 3(i,j) dann in Abhängigkeit von der jeweiligen Winkelposition stets so erfolgt, daß die Bewegung des entkoppelten Gegenstandes 2.1 auf die Zielposition P_x2,y2 gerichtet ist.
Hat der Gegenstand 2.1 die Zielposition P_x2,y2 erreicht, werden keine Aktoren 3(i,j) mehr aktiviert, so daß keine Normalkraft F_N auf den Gegenstand 2.1 mehr einwirkt und der Gegenstand 2.1 in der Zielposition P_x2,y2 verbleibt.
Die Kamera 12 kontrolliert im Zusammenwirken mit der Ansteuereinrichtung 8 weiterhin die aktuelle Position des Gegenstandes 2.1 und vergleicht diese mit der vorgebenen Zielposition P_x2,y2. Wandert der Gegenstand 2.1 aus der Zielposition P_x2,y2 aus, etwa aufgrund der zwischen der Auflagefläche 1 und dem Gegenstand 2.1 wirkenden Reibungskräfte oder aufgrund von außen auf die Gegenstände einwirkender Lastkräfte, so werden die Lageabweichungen erfaßt und von der Ansteuereinrichtung 8 die Aktoren 3(i,j) ermittelt und aktiviert, die aktiviert werden müssen, um den Gegenstand 2.1 wieder in die Zielposition P_x2,y2 zu bewegen.
So ist es möglich, daß ausgewählte Gegenstände unabhängig voneinander fortlaufend oder schrittweise in gleichbleibenden oder auch wechselnden Richtungen R über die Auflagefläche 1 in der X,Y-Ebene verschoben werden können.
Anhand 7 ist beispielhaft dargestellt, wie im einfachsten Fall die Auflagefläche 1 in eine Kreisbewegung versetzt werden kann.
In 7 ist, wie bereits anhand von l dargelegt, der Verbund aus Aktoren 3(i,j), an dem die Auflagefläche 1 ausgebildet ist, über elastische Elemente 9 gegen eine Grundplatte 10 abgestützt. Auf der Grundplatte 10 ist eine Antriebseinrichtung 11 in Form eines Rotationsmotors mit einer Abtriebswelle 13 angeordnet. Die Abtriebswelle 13 greift in eine Exzenterscheibe 14 ein, die über einen Wellenstumpf 15 an dem Verbund aus Aktoren 3(i,j) befestigt ist.
Damit wird erreicht, daß die Rotation der Abtriebswelle 13 mit einer Exzentrizität, die dem Radius r entspricht, auf die Auflagefläche 1 übertragen wird. jeder Punkt der Auflagefläche 1 führt damit eine Kreisbewegung mit dem Radius r in der Ebene X,Y aus.
Die elastischen Elemente 9 sind so ausgebildet, daß sie an ihren den Aktoren 3(i,j) zugewandten Enden diese Kreisbewegung aufnehmen, während sich ihre der Grundplatte 10 zugewandten Enden in relativer Ruhe dazu befindet.
Auf der Auflagefläche 1 aufliegend ist in einer seitlichen Ansicht wiederum der Gegenstand 2.1 zu erkennen, auf den beispielsweise eine Garnrolle 16 und eine Fadenführung 17 aufgesetzt sind.
Erfindungsgemäß ist der Gegenstand 2.1 mit der Garnrolle 16 wie oben beschrieben gezielt auf der Auflagefläche 1 verschiebbar, so daß dabei ein Faden aus unterschiedlich vorzugebenden Richtungen zu einer Web- oder Klöppeleinrichtung geführt werden kann.
Dies kann ebenso weitere auf der Auflagefläche 1 aufliegende und mit Garnrollen 16 bestückte Gegenstände betreffen, die jeweils separat in der Eben X,Y der Auflagefläche 1 verschiebbar sind, so daß mehrere, in ihrer Anzahl der Anzahl der Gegenstände bzw. Garnrollen entsprechende Fäden aus wechselnden Richtungen zu der Web- oder Klöppeleinrichtung geführt werden können und so beispielsweise die Herstellung verhältnismäßig kompliziert strukturierter textiler Erzeugnisse gesteuert werden kann.
Der Vollständigkeit halber sei darauf hingewiesen, daß die Darstellung in 7 nicht maßstabgerecht ist und die Größe und Anzahl der Gegenstände, die auf der Auflagefläche 1 aufliegen, variabel ist.
8 zeigt beispielhaft ein Prinzipschaltbild der Ansteuereinrichtung 8 zur Auswahl und Ansteuerung von Aktoren 3(i,j) in Abhängigkeit von einer gewünschten Richtung R, in die der Gegenstand 2.1 bewegt werden soll.
Dabei entspricht zu Beginn des Positioniervorganges die Istposition P_x,y der Ausgangsposition P_x1,y1 mit den Koordinaten x₁,y₁ und die Zielposition P_x2,y2 mit den Koordinaten x₂,y₂ entspricht der Sollposition P_xsoll,ysoll.
Mittels der Kamera 12 wird wie weiter oben bereits dargelegt die Istposition P_x,y, die zu Beginn des Vorgangs mit der Ausgangsposition P_x1,y1 identisch ist, erfaßt und die entsprechenden Koordinaten x₁,y₁ an die Ansteuereinrichtung 8 übermittelt. Die Koordinaten x₂,y₂ der Zielposition P_x2,y2 werden mittels eines Eingabedisplays 18 über eine Schnittstelle in die Ansteuereinrichtung 8 eingegeben. Die Ansteuereinrichtung 8 verfügt über eine Vergleichsschaltung 19, in der die Koordinaten x_Soll,y_Soll und x,y verglichen und aus der ermittelten Differenz Δx, Δy die Richtung R bestimmt wird, in welcher die Bewegung γ_Bew erfolgen muß. Hierbei gilt
In einer weiterhin in der Ansteuereinrichtung 8 vorhandenen Selektierungsanordnung 20 sind die Informationen über die Positionen bzw. Koordinaten der einzelnen Aktoren 3(i,j) in der Ebene X,Y der Auflagefläche 1 sowie über deren jeweiligen Wirkungsbereich gespeichert. Mit der Kenntnis der aktuellen Koordinaten x,y des Gegenstandes 2.1 wird mittels der Selektierungsanordnung 20 bestimmt, im Wirkungsbereich welcher Aktoren 3(i,j) sich der Gegenstand 2.1 befindet.
Ausgehend davon übermittelt die Selektierungsanordnung 20 Informationen an Erregerstromerzeuger 21 darüber, welche der Aktoren 3(i,j) zu welchem Zeitpunkt und für welche Dauer zu aktivieren sind. Dabei ist der Zeitpunkt der Beaufschlagung davon abhängig, wann während der Kreisbewegung der Auflagefläche 1 die Winkelposition α₀ überstrichen wird (vgl. 3). Die Dauer der Beaufschlagung mit dem Erregerstrom entspricht der Zeit bis zum Erreichen der Winkelposition α₂.
Die Entkopplung des Gegenstandes 2.1 von der Auflagefläche 1 findet statt, wenn der Winkel α₂ erreicht ist, und der Gegenstand 2.1 bewegt sich nun in der vorgegebenen Richtung R auf die Zielposition P_x2,y2 zu.
Mit der Vorgabe der Aktivierungszeit t_A (vgl. 4) durch die Selektierungsanordnung 20 bei der Ansteuerung der betreffenden Aktoren 3(i,j) mittels der Erregerstromerzeugern 21 können die gewünschten Geschwindigkeiten und Beschleunigungen geregelt werden. Mit der Vorgabe einer bestimmten Amplitude des Erregerstromes kann die Größe der Normalkraft F_N beeinflußt werden.
Anhand 9 soll nachfolgend beispielhaft eine Möglichkeit erörtert werden, die kreisförmige Bewegung des Verbundes aus Aktoren 3(i,j) bzw. der Auflagefläche 1 mit einer Antriebseinrichtung 11 zu erzeugen, die aus vier einzelnen Linearmotoren X_A, X_B, Y_A, Y_B aufgebaut ist.
Die Beschreibung dieser Möglichkeit stützt sich auf die Veröffentlichung von Stölting, H.D.; Kallenbach, E.: „Handbuch elektrische Kleinantriebe", Carl Hanser Verlag 2002, Seite 184, Bild 4.2.26.
Hier besteht jeder der Linearmotoren X_A, X_B, Y_A, Y_B aus einer Spule 22 und zwei Permanentmagneten 23, wobei das von den Permanentmagneten 23 erzeugte magnetische Feld jeweils auf die Spule 22 wirkt. Zur Erzeugung der kreisförmigen Bewegung bilden jeweils zwei Linearmotoren X_A, X_B für die X-Koordinate und zwei Linearmotoren Y_A, Y_B für die Y-Koordinate eine Antriebsgruppe. Die Ansteuerung jeder Antriebsgruppe erfolgt gemeinsam und mit sinusförmigen Strömen gleicher Amplitude. Die Ströme der Antriebsgruppen sind um 90° gegeneinander phasenverschoben.
In der Wechselwirkung der magnetischen Felder der Permanentmagneten 23 mit den elektrischen Strömen entstehen Lorentz-Kräfte, die den elektrischen Strömen proportional sind. Die sich daraus ergebenden sinusförmigen Auslenkungen in der X- und der Y-Koordinate überlagern sich zu einer resultierenden kreisförmigen Bewegung, wie das von der Erzeugung von Lissajous-Figuren bekannt ist.
Der Vorteil einer solchen Antriebseinrichtung 11 mit Linearmotoren gegenüber einer Antriebseinrichtung 11 mit Excenter-Getriebe besteht in geringerem Verschleiß und damit höherer Lebensdauer.
Mit einer aus vier Linearmotoren X_A, X_B, Y_A, Y_B aufgebauten Antriebseinrichtung 11 ist es weiterhin möglich, der Auflagefläche 1 eine drehende Schwingung in der φ-Koordinate aufzuprägen. Dazu werden die Linearmotoren X_A, Y_A und die Linearmotoren X_B, Y_B jeweils gemeinsam angesteuert. Den beiden so gebildeten Antriebsgruppen wird ein sinusförmiger Strom gleicher Amplitude eingeprägt, wobei die Ströme der Linearmotoren X_A und Y_A gegenüber den Strömen der Linearmotoren X_B und Y_B um 180° phasenverschoben sind. Bezogen auf den Mittelpunkt der Antriebseinrichtung 11 addieren sich die einzelnen Kräfte zu einem resultierenden Moment mit wechselnder Richtung. Es wird so eine Drehschwingung erzeugt.
Wenn die Aktoren 3(i,j) bei positiver oder negativer Drehung in der Koordinate φ aktiviert werden, kann in der bereits für Bewegungen in den X,Y-Koordinaten beschriebenen Art und Weise ein Drehimpuls auf den zu bewegenden Gegenstand 2.1 übertragen werden.
Durch die Überlagerung der Bewegungen in den X,Y-Koordinaten und der φ-Koordinate ist es möglich, den Gegenstand 2.1 in allen drei Koordinaten X, Y und φ zu bewegen.

1: Auflagefläche
2.1, 2.2: Gegenstände
3i,j: Aktoren
4: Vergußmasse
5: Spule
6: Joch
7: Anschlußleitungen
8: Ansteuereinrichtung
9: Elemente
10: Grundplatte
11: Antriebseinrichtung
12: Kamera
13: Abtriebswelle
14: Exzenterscheibe
15: Wellenstumpf
16: Garnrolle
17: Fadenführung
18: Eingabedisplay
19: Vergleichsschaltung
20: Selektierungsanordnung
21: Erregerstromerzeuger
22: Spule
23: Permanentmagnete
f: Frequenz
i: Zeilen
j: Spalten
t_A: Aktivierungszeit
r: Radius
v: Geschwindigkeit
Δx, Δy: Differenz
F_N: Normalkraft
l: Amplitude
P: Position
P_x,y: Istposition
P_xsoll,ysoll: Sollposition
R: Richtung
X, Y, φ: Koordinaten
X_A, X_B, Y_A, Y_B: Linearmotoren
α: Winkel
α_Bew.: Bewegung
γ_Bew.: Sollrichtung der Bewegung
Δα: Winkelbereiche

Claims

Anordnung zum Bewegen einer Anzahl von Gegenständen (2.1 , 2.2) unabhängig voneinander in den Koordinaten X, Y und/oder φ, umfassend: – eine sich in den Koordinaten X, Y erstreckende Auflagefläche (1) für die Gegenstände (2.1 , 2.2), – eine mit der Auflagefläche (1) gekoppelte Antriebseinrichtung (11) zur Erzeugung einer schwingenden Bewegung der Auflagefläche (1) mit stetig wechselnden, wiederkehrenden Richtungskomponenten in den Koordinaten X, Y und/ oder φ, – eine Vielzahl von parallel zu der Auflagefläche (1) nebeneinander angeordneten Aktoren (3i,j), von denen jeder während einer vorzugebenden Aktivierungszeit t_A eine Normalkraft F_N auf einen sich in seinem Wirkungsbereich befindenden Gegenstand (2.1 , 2.2) ausübt und dadurch diesen Gegenstand (2.1 , 2.2) kraftschlüssig an die Auflagefläche (1) koppelt, und – eine Ansteuereinrichtung (8) zur Vorgabe der Aktivierungszeiten t_A für ausgewählte Aktoren (3i,j), wobei – mit der Ansteuereinrichtung (8) Beginn und Ende der Aktivierungszeiten t_A in Abhängigkeit von vorbestimmten Phasen der schwingenden Bewegung veranlaßt werden.
Anordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Auflagefläche (1) durch die Summe von Außenflächen der nebeneinander in einer Ebene angeordneten und fest miteinander verbundenen Aktoren (3i,j) gebildet ist.
Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Aktoren (3i,j) in einem Array aus Zeilen i und Spalten j angeordnet sind, wobei die Zeilen i parallel zur Koordinatenrichtung X und die Spalten j parallel zur Koordinatenrichtung Y ausgerichtet sind.
Anordnung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebseinrichtung (11) zur Erzeugung einer Kreisbewegung der fest miteinander verbundenen Aktoren (3i,j) in der Ebene X,Y und/oder einer Verdrehbewegung in der Koordinate φ ausgebildet ist.
Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebseinrichtung (11) einen Rotationsmotor aufweist, der über ein Exzentergetriebe mit den , Aktoren (3i,j) verbunden ist.
Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß – die Antriebseinrichtung (11) zwei unabhängig voneinander ansteuerbare Linearmotoren zur Generierung der Richtungskomponenten in den Koordinaten X, Y oder – vier Linearmotoren X_A, X_B, Y_A, Y_B zur Generierung der Richtungskomponenten in den Koordinaten X, Y und/oder φ umfaßt.
Anordnung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß – die Antriebseinrichtung (11) mit einem Meßwertaufnehmer zur Erfassung der aktuellen Bewegungsphase der schwingenden Bewegung, bevorzugt einer Winkelmeßeinrichtung zur Erfassung des überstrichenen Winkels α während einer Kreisbewegung, gekoppelt ist und – über diesen Meßwertaufnehmer mit der Ansteuereinrichtung (8) in Verbindung steht.
Anordnung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß – die Aktoren (3i,j) über elastische, die schwingende Bewegung aufnehmende Elemente (9) gegen eine gestellfeste Grundplatte (10) abgestützt sind, wobei – bevorzugt die elastischen Elemente (9) und die zu bewegende Masse der Aktoren (3i,j) einschließlich der Auflagefläche (1) so abgestimmt sind, daß sie sich bei der durch die Antriebseinrichtung (11) eingeprägten schwingenden Bewegung in Resonanz befinden.
Anordnung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß – die Aktoren (3i,j) im wesentlichen aus einer Spule (5) und einem topfförmigen Joch (6) bestehen, wobei – das Joch (6) aus einem magnetisch leitfähigen Material gefertigt ist, die Koppelkräfte elektromagnetisch erzeugt werden und die Gegenstände (2.1 , 2.2) zumindest teilweise magnetisch leitfähig sind.
Anordnung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine optische Beobachtungseinrichtung, bevorzugt eine Kamera (12), zur Erfassung der jeweils aktuellen Positionen der Gegenstände (2.1 , 2.2) vorhanden und diese zwecks Ermittlung und Vorgabe der zu aktivierenden bzw. zu deaktivierenden Aktoren (3i,j) mit der Ansteuereinrichtung (8) in Verbindung steht.
Anordnung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansteuereinrichtung (8) – mit einer Vergleichsschaltung (18) ausgestattet ist, – die mit der Beobachtungseinrichtung und mit einem Eingabedisplay (18) zur Eingabe der Sollposition P_xsoll,ysoll eines ausgewählten Gegenstandes (2.1 , 2.2) in Verbindung steht und – in der die Koordinaten x,y der mit der Beobachtungseinrichtung erfaßten Istposition P_x,y des Gegenstandes (2.1 , 2.2) mit den vorgegebenen Koordinaten x_soll,y_soll der Sollpositionen P_xsoll,ysoll des Gegenstandes (2.1 , 2.2) verglichen wird und aus der Differenz Δx, Δy die Richtung R bestimmt wird, in welcher die Bewegung γ_Bew. des Gegenstandes (2.1 , 2.2) erfolgen muß, damit dieser Gegenstand (2.1, 2.2) die Sollposition P_xsoll,ysoll erreicht, – mit einer Selektierungsanordnung (20) ausgestattet ist, – in der die Koordinaten x,y der Positionen P_x,y der Aktoren 3(i,j) in der Auflagefläche (1) gespeichert sind, – die mit dem Signalausgang der Vergleichsschaltung (19) und mit der Beobachtungseinrichtung in Verbindung steht und – die in Abhängigkeit vom Ausgangssignal der Vergleichsschaltung (19) und der mit der Beobachtungseinrichtung jeweils erfaßten Istposition P_x,y des Gegenstandes (2.1 , 2.2) Informationen darüber erzeugt, welche der Aktoren 3(i,j) zu welchem Zeitpunkt und für welche Dauer zu aktivieren sind, – mit Erregerstromerzeugern (21) ausgestattet ist, – die mit dem Signalausgang der Selektierungsanordnung (20) und mit der Antriebseinrichtung (11) verbunden sind und – die in Abhängigkeit von dem Ausgangssignal der Selektierungsanordnung (20) und von der mit dem Meßwertaufnehmer ermittelten Bewegungsphase der Antriebsbewegung vorgegebene Aktoren (3(i,j)) mit einem Erregerstrom beaufschlagen, wobei mit der Amplitude des Erregerstroms die Geschwindigkeiten und die Beschleunigungen des Gegenstandes (2.1 , 2.2) geregelt wird.
Anordnung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß und die Reibungszahl zwischen den Gegenständen (2.1 , 2.2) und der Auflagefläche (1) im Bereich μ ≈ 0,1 liegt.