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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen planaren Direktantrieb (auch
Planarmotor genannt), welcher ein Positionsmesssystem zur Steuerung
der Fahrbewegungen des Läufers
umfasst. Derartige Direktantriebe besitzen eine Passiveinheit mit
einer planen Lauffläche,
in welche Magnetflussbereiche integriert sind. Diese Passiveinheit
bildet den Stator des Motors. Außerdem ist mindestens eine
Aktiveinheit (Läufer)
mit Spulenkörpern
zur Erzeugung eines veränderlichen
Magnetflusses vorgesehen, welche sich auf der Lauffläche der
Passiveinheit bewegen kann. Darüber
hinaus umfasst der Direktantrieb eine Lagereinheit, die reibungsarme
zweidimensionale Bewegungen zwischen Aktiv- und Passiveinheit ermöglicht.
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Aus
der
DE 195 13 325
A1 ist beispielsweise eine Hallsensorwegmesseinrichtung
für den
Einsatz in Linear- und Planarantrieben bekannt. Dazu sind mehrere
Hallsensoren in der Aktiveinheit integriert, welche die aufgrund
der Relativbewegung zwischen Aktiv- und Passiveinheit auftretenden
Magnetfeldänderungen
erfassen. Die Zahnteilung auf der Lauffläche der Passiveinheit bildet
dazu die Maßverkörperung,
welche durch die Sensoren abgetastet wird. Dadurch ist aber auch
die Positioniergenauigkeit des Planarantriebs begrenzt, die direkt
von der Zahnteilung und deren Genauigkeit abhängt. Durch die Anwendung dieser
bekannten Positionsmessverfahren lassen sich Positionierungsgenauigkeiten
im Bereich von 20–40 μm erzielen.
Ein weiteres Problem besteht darin, dass die Positioniergenauigkeit
auch von den Umgebungsbedingungen, insbesondere den Temperaturen
der Passiveinheit abhängig
ist. Die Lauffläche der
Passiveinheit besteht zu einem großen Teil aus metallischen Materialien
(insbesondere Weicheisenmaterial), die einen relativ großen Temperaturkoeffizienten
haben. Aufgrund der Änderung
der Umgebungstemperatur und auch aufgrund einer betriebsbedingten
Eigenerwärmung
kommt es zu einem nicht unerheblichen Ausdehnungsverhalten der Lauffläche, so
dass die Maßverkörperung
selbst eine in Bezug zur gewünschten
Positioniergenauigkeit wesentliche Längenausdehnung erfährt. Wenn
derartige Direktantriebe für
Positionierungsaufgaben mit hohen Genauigkeitsanforderungen eingesetzt
werden sollen, sind solche Fehler nicht mehr tolerierbar. Die weitere
Miniaturisierung in vielen Technikbereichen erfordert vielmehr eine
erhöhte
Positioniergenauigkeit, die mit bisher bekannten integrierten Positionsmesssystemen
nicht erreichbar ist.
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Höhere Messgenauigkeiten
können
beispielsweise erzielt werden, wenn externe Messsysteme, beispielsweise
unter Verwendung von Laserinterferometern oder Glasmaßstäben eingesetzt
werden. Dazu müssen
jedoch entweder große
und schwere Wegmessnormale durch die Aktiveinheit mitgeführt werden
oder es ist eine Ankopplung an externe Maßverkörperungen erforderlich. Eine
solche Gestaltung ist insbesondere bei Planarantrieben problematisch,
da die Aktiveinheiten auf einer größeren Lauffläche zweidimensional
beliebig verfahrbar sein sollen. Auch der Einsatz optischer Messmethoden
ist in der Praxis nur beschränkt
möglich,
da der Strahlengang von Messstrahlen häufig durch andere Elemente
(beispielsweise weitere auf der Lauffläche bewegliche Aktiveinheiten,
Kabel u.ä.)
gestört
werden würde.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, einen verbesserten
planaren Direktantrieb bereit zu stellen, der ein Positionsmesssystem
umfasst, welches eine höhere Positioniergenauigkeit
als die bisher bekannten integrierten Positionsmesssysteme besitzt
und gleichzeitig die Nachteile von externen Positionsmesssystemen
vermeidet. Insbesondere soll es durch die Erfindung möglich werden,
die Aktiveinheit des Direktantriebs mit hoher Genauigkeit in Bezug
auf vorgegebene Fixpunkte auf der Passiveinheit zu positionieren.
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Diese
und weitere Aufgaben werden durch die vorliegende Erfindung erfüllt, bei
welcher das Positionsmesssystem aus einer bewegten Komponente und
einer quasistationären
Komponente zusammengesetzt ist, von denen eine durch eine Maßverkörperung
und die andere durch einen Messsensor gebildet ist. Die quasistationäre Komponente
ist dabei an einem vorbestimmten Fixpunkt außerhalb des Lagerspalts und
im wesentlichen parallel zur Lauffläche, jedoch vertikal beabstandet
von dieser angeordnet. Da die quasistationäre Komponente, welche beispielsweise
die Maßverkörperung
sein kann, auch nicht in die Lauffläche oder den Lagerspalt integriert
werden muss, hat sie keine verschlechternden Auswirkungen auf die
Antriebskraft, die durch den Magnetfluss erzeugt wird. Außerdem ist
die quasistationäre
Komponente vor Beschädigungen
besser geschützt
als wenn sie beispielsweise auf die Lauffläche aufgebracht werden würde.
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Die
Erfindung zeichnet sich weiterhin dadurch aus, dass die bewegte
Komponente so an der Aktiveinheit angeordnet ist, dass sie bei Erreichen der
quasistationären
Komponente mit dieser in Messeingriff gelangt. Bei der Verwendung
optischer oder magnetischer Messkomponenten ist ein mechanischer
Messeingriff nicht erforderlich. Für die Funktion des Positionsmesssystems
ist es ausreichend, wenn die beiden Komponenten nahe genug beieinander positioniert
sind. Solange dieser funktionale Messeingriff besteht, wird die
Aktiveinheit unter Auswertung des vom Messsensor gelieferten Positionssignals
gesteuert bzw. geregelt. Dafür
können
bekannte Steuer- bzw. Regelsysteme eingesetzt werden. Innerhalb
einer vorgegebenen Messfläche
ist dadurch eine sehr genaue Positionierung der Aktiveinheit möglich. Diese
durch die als Komponente des Positionsmesssystems wirkende Maßverkörperung
definierte Messfläche
wird dazu in den Bereichen platziert bzw. in diese Bereich als Bestandteil
der Aktiveinheit verfahren, in denen die Positionierung mit hoher
Genauigkeit erfolgen muss. Außerhalb
dieser Bereiche kann die Aktiveinheit mit einer geringeren Genauigkeit
positioniert werden, wobei vorzugsweise auf ein Globalmesssystem
zurück
gegriffen wird oder der Direktantrieb in herkömmlicher Weise im Schrittbetrieb
arbeitet.
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Gemäß einer
ersten Ausführungsform
der Erfindung ist die quasistationäre Komponente des Positionsmesssystems
an einem angepassten Gestellelement befestigt, welches mit: der
Passiveinheit verbunden ist, so dass eine dauerhaft fixierte Lage der
quasistationären
Komponente erzielt wird. Es ist möglich, mehrere Gestellelemente
mit quasistationären
Komponenten an bestimmten Fixpunkten auf der Lauffläche der
Passiveinheit anzuordnen. Bei diesen Gestellelementen kann es sich
beispielsweise um Werkzeugmodule zur Ausführung unterschiedlicher Arbeitsaufgaben
handeln. Die Aktiveinheit kann zwischen diesen Fixpunkten bzw. Werkzeugmodulen beliebig
verfahren werden, wobei jeweils in der Nähe dieser fixierten Messpunkte
auf das hochgenaue Positionsmesssystem zurück gegriffen werden kann.
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Bei
einer abgewandelten Ausführungsform ist
die quasistationäre
Komponente nicht starr mit der Passiveinheit verbunden, sondern
an einer zweiten Aktiveinheit befestigt, welche rela tiv zur Passiveinheit
und relativ zur ersten Aktiveinheit beweglich ist. Für bestimmte
Aufgaben ist es ausreichend, wenn die relative Lage zwischen mehreren
beweglichen Aktiveinheiten mit hoher Genauigkeit bestimmt werden
kann. Auf die absolute Position der Aktiveinheiten auf der Lauffläche der
Passiveinheit kommt es dabei nicht bzw. nicht mit derselben Genauigkeit
an. Auch in diesen Fällen
ist es ausreichend, wenn das Positionsmesssystem entsprechende Positionssignale
liefert, solange die Aktiveinheiten zur Ausführung vorgegebener Aufgaben
in unmittelbarer Nähe zueinander
bewegt werden müssen.
In diesem Zusammenhang ist zu erwähnen, dass die Wiederholgenauigkeit
von Direktantrieben auch bei Nutzung herkömmlicher Globalpositionsmesssysteme
oder im Schrittbetrieb wesentlich höher ist als die Positioniergenauigkeit,
die nur bei etwa 30–40 μm liegt.
Auf der Lauffläche
lassen sich daher Fixpunkte definieren, die mit hoher Genauigkeit,
nämlich
einer Wiederholgenauigkeit von etwa 2–3 μm, von der zweiten Aktiveinheit
(welche die quasistationäre
Komponente trägt)
angefahren werden können.
Bezogen auf diesen Fixpunkt kann dann innerhalb der o.g. Messfläche die
hohe Positioniergenauigkeit das beschriebenen integrierten Positionsmesssystems
genutzt werden.
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Es
ist besonders vorteilhaft, wenn die bewegliche Komponente des Positionsmesssystems vertikal
versetzt zu den Spulensystemen der Aktiveinheit in einem von außen zugänglichen
Bereich angeordnet ist. Die Aktiveinheit besitzt dazu einen mehrschichtigen
Aufbau, so dass die bewegliche Komponente und der Zugang zu dieser
eine optimale Gestaltung der eigentlichen Antriebselemente nicht behindern.
Dieser mehrschichtige Aufbau kann noch dadurch erweitert werden,
dass wiederum vertikal versetzt zu der beweglichen Komponente ein
Werkstückhalter
angebracht ist, der an die jeweilige Aufgabe des Direktantriebs
bzw. an das zu bewegende Werkstück/Werkzeug
angepasst ist. Diese Gestaltung hat außerdem den Vorteil, dass die
Maßverkörperung
bzw. der Messsensor in unmittelbarer Nähe des zu positionierenden
Werkstücks/Werkzeugs
befestigt ist, wodurch sich Verkippungsmessfehler deutlich reduzieren
lassen. Die Positionsmessung erfolgt in unmittelbarer Nähe des Werkstücks, dessen
Position von primärem
Interesse ist. Messfehler höherer Ordnung
wirken sich somit auf das Messergebnis nur sehr wenig aus.
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Die
Entkopplung der Aktiveinheit vom Positionsmesssystem sowie die gleichzeitige
Verbindung der bewegten Komponente mit dem Werkstückhalter ermöglichen
auch modulare Lösungen,
bei denen eine Aktiveinheit unterschiedliche Werkstückhalter transportieren
kann, die jeweils ihre eigene, angepasste bewegte Komponente des
Positionsmesssystems mit sich führen.
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Vorteilhafterweise
kommt als Maßverkörperung
eine Kreuzgitterplatte zum Einsatz, während als Messsensor insbesondere
optische oder magnetische Sensoren geeignet sind. Ebenso können Gitterfolien
als Maßverkörperung
genutzt werden.
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Es
ist daran zu erinnern, dass durch die erfindungsgemäße Verwendung
des erläuterten
Positionsmesssystems bei Planaren Direktantrieben eine höhere Genauigkeit
als beispielsweise bei der Anwendung von Hallsensormesssystemen
bzw. bei der Steuerung der Direktantriebe im Mikroschrittbetrieb möglich wird.
Auch gegenüber
der teilweise angewendeten Positionsbestimmung durch eine kameragestützte Bildauswertung
besitzt das hier verwendete Messsystem erhebliche Vorteile, da wesentlich weniger
Daten verarbeitet werden müssen
und somit eine schnellere Regelung des Direktantriebs erfolgen kann.
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Wesentlich
für die
Erfindung ist weiterhin, dass die Passiveinheit selbst bzw. die
darauf ausgebildete Lauffläche
nicht mehr in die Messkette integriert ist. Dadurch entfallen auch
die sonst erforderlichen Justagearbeiten.
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Schließlich gestattet
die hier vorgestellte Kopplung zwischen Direktantrieb und Positionsmesssystem
eine deutliche Kostenreduzierung, da zum Aufbau des Positionsmesssystems
handelsübliche
Komponenten verwendet werden können,
wobei die Maßverkörperung
wesentlich kleiner als die insgesamt zur Verfügung stehende Lauffläche ausgelegt
werden kann.
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Für die Bewegung
der Aktiveinheiten zwischen den einzelnen Fixpunkten kann weiterhin
ein herkömmliches
Globalmesssystem genutzt werden, da für diese Bewegungen keine hohen
Genauigkeitsanforderungen bestehen. Ebenso ist zwischen den Fixpunkten
ein Schrittbetrieb des Antriebs möglich, wobei die höheren Wiederholgenauigkeiten
gegenüber
einer absoluten Genauigkeit bei der Bewegung entlang einer vorgegebene
Strecke genutzt werden können.
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Weitere
Vorteile, Einzelheiten und Weiterbildungen ergeben sich aus der
nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform,
unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigen:
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1 eine vereinfachte Seitenansicht
eines erfindungsgemäßen planaren
Direktantriebs, welcher eine Passiveinheit und zwei Aktiveinheiten
umfasst;
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2 eine prinzipielle Darstellung
einer Fabrikationseinheit mit mehreren Arbeitsmodulen unter Anwendung
des erfindungsgemäßen Direktantriebs in
einer Ansicht von oben.
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Der
in 1 gezeigte planare
Direktantrieb umfasst eine Passiveinheit 1, die an ihrer
Oberseite eine Lauffläche 2 besitzt.
Auf der Lauffläche 2 ist
beispielsweise eine kreuzweise verlaufende Zahnteilung ausgebildet,
die aus magnetisierbaren Zähnen und
nicht-magnetisierbaren Zahnlücken
besteht. Der generelle Aufbau solcher Direktantriebe ist dem Fachmann
bekannt, so dass auf eine detaillierte Beschreibung der Funktionsweise
dieses Planarmotors verzichtet werden kann.
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Der
Direktantrieb besitzt außerdem
eine erste Aktiveinheit 3, die bei geeigneter Bestromung
in mindestens zwei Bewegungsrichtigungen auf der Lauffläche 2 verfahren
werden kann. Um trotz der magnetischen Anziehungskräfte zwischen
der Aktiveinheit 3 und der Passiveinheit 1 eine
Bewegung zu ermöglichen,
ist eine Lagereinheit erforderlich, durch welche ein Lagerspalt 4 während des
Betriebs des Direktantriebs aufrechterhalten wird. Vorzugsweise eignen
sich dafür
Luftlager (nicht gezeigt), die zwischen der Lauffläche 2 und
der Aktiveinheit 3 einen Luftspalt erzeugen.
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Hinsichtlich
des Schwingungs- und Beschleunigungsverhaltens ist es vorteilhaft,
die relativ schweren Spulensysteme, einschließlich der Eisenkerne und ggf.
Permanentmagnete (nicht gezeigt) im unteren Bereich (Ebene I) der
Aktiveinheit anzuordnen, also möglichst
nah an der Lauffläche 2,
in deren Ebene die Antriebskräfte
erzeugt werden. In einem darüber
liegenden mittleren Bereich (Ebene II) der Aktiveinheit können Hilfselemente 5,
wie beispielsweise die benötigten elektronischen
Schaltungen und Anschlusselemente für die Energieversorgung vorgesehen
sein. In einer dritten Ebene (Ebene III) der Aktiveinheit 3 ist
ein Messkomponentenraum 6 vorgesehen. Innerhalb des Messkomponentenraums 6 befindet
sich bei der ersten Aktiveinheit 3 eine bewegte Komponente 7 eines
Positionsmesssystems. Im dargestellten Beispiel handelt es sich
bei der bewegten Komponente 7 um ein Kreuzgitter, welches als
Maßverkörperung
dient. Sofern das Positionsmesssystem Lageveränderungen nur in einer Richtung überwachen
soll, kann das Kreuzgitter beispielsweise durch einen Glasmaßstab ersetzt
sein. Die bewegte Komponente 7 ist zwar gegenüber der ersten
Aktiveinheit 3 fixiert, wird jedoch mit der Aktiveinheit
gegenüber
der Passiveinheit bewegt.
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Damit
das Positionsmesssystems ein auswertbares Positionssignal generieren
kann, ist eine zweite Komponente erforderlich, die hier als quasistationäre Komponente 8 bezeichnet
wird. In der in 1 dargestellten
Ausführungsform
ist die quasistationäre
Komponente 8 ein Messsensor, der gegenüber der bewegten Komponente 7 als
stationär
angesehen wird. Sofern die bewegte Komponente 7 in den Erfassungsbereich
des Messsensors 8 gelangt, kann von diesem ein Positionssignal
in Abhängigkeit
von der Bewegung der ersten Aktiveinheit 3 erzeugt werden.
Der lokale Messbereich, in welchem das Positionsmesssystem zur Positionsbestimmung
genutzt werden kann, ist durch eine Messfläche 9 bestimmt, die
im dargestellten Beispiel im wesentlichen der Fläche des Kreuzgitters 7 entspricht.
Genauer gesehen wird die Messfläche 9 durch
den Bereich bestimmt, in welchem die beiden Komponenten 7, 8 des
Positionsmesssystems in funktionalem Messeingriff stehen, also ein
auswertbares Positionssignal liefern.
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Für den Fachmann
wird es offensichtlich sein, dass die Messgenauigkeit des hier beschriebenen
Positionsmesssystems bei Verwendung einer hochgenauen Maßverkörperung
und eines geeigneten Messsensors wesentlich höher ist, als dies beispielsweise
durch die Abtastung der als Maßverkörperung
wirkenden Zähne
der Lauffläche 2 erreichbar wäre.
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Bei
abgewandelten Ausführungsformen
lässt sich
auch eine „Kopf-über-Anordnung" wählen.
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Bei
der in der 1 dargestellten
Ausführungsform
ist die quasistationäre
Komponente 8 an einer zweiten Aktiveinheit 10 befestigt,
die ihrerseits auf der Passiveinheit 1 bewegt werden kann.
Die zweite Aktiveinheit 10 ist beispielsweise in vergleichbarer
Weise wie die erste Aktiveinheit 3 aufgebaut.
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In
dieser Anwendung dient das Positionsmesssystem somit der Bestimmung
der relativen Lage zwischen der ersten Aktiveinheit 3 und
der zweiten Aktiveinheit 10. Um eine genaue Position einzunehmen,
kann die zweite Aktiveinheit 10 beispielsweise an einen
festgelegten Fixpunkt gefahren werden, welcher während einer vorangegangenen Kalibrierung
des Direktantriebs exakt bestimmt wurde. Wie oben bereits erläutert wurde,
ist die Wiederholgenauigkeit beim Wiederanfahren des Fixpunktes recht
groß.
Die erste Aktiveinheit 3 wird anschließend in die Nähe der zweiten
Aktiveinheit 10 gefahren, bis die beiden Komponenten 7, 8 des
Positionsmesssystems in Messeingriff gelangen. Die weitere Positionssteuerung
der bewegten Aktiveinheit erfolgt dann unter Auswertung des vom
Positionsmesssystem gelieferten Positionssignals, so dass eine hochgenaue Positionierung
der ersten Aktiveinheit 3 gegenüber der zweiten Aktiveinheit 10 bzw.
dem zugrunde liegenden Fixpunkt erfolgen kann. Dabei ist es natürlich möglich, mehrere Fixpunkte
auf der Passiveinheit vorzusehen, um dadurch letztlich mehrere Messflächen 9 im
Bereich der Lauffläche
zu definieren.
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Die
in 1 dargestellten Aktiveinheiten 3, 10 besitzen
noch eine vierte Funktionsebene (Ebene IV), die oberhalb der jeweiligen
Komponenten des Positionsmesssystems angeordnet sein kann. Dabei handelt
es sich um jeweils einen Werkstückhalter 11. Der
Werkstückhalter 11 trägt je nach
Anwendungsfall ein entsprechendes Werkstück oder ein benötigtes Werkzeug.
Der Werkstückhalter 11 kann
lösbar
mit der eigentlichen Aktiveinheit verbunden sein, um bei wechselnden
Aufgaben ausgewechselt zu werden. Dabei ist es zweckmäßig, wenn
die jeweiligen Komponenten 7, 8 des Positionsmesssystems
mit dem Werkstückhalter 11 verbunden
und mit diesem ausgewechselt werden. Auf diese Weise kann jedem Werkstückhalter
eine gewünschte
Maßverkörperung zugeordnet
werden, die an die jeweilige Genauigkeitsanforderung angepasst ist.
Die gemessene Position ist damit an den Werkstückträger und nicht an die Aktiveinheit
gekoppelt. Nach dem Wechseln des Werkstückträgers ist somit keine neue Kalibrierung des
Messsystems erforderlich.
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In 2 ist einer Ansicht von
oben eine vereinfacht dargestellte Fabrikationseinheit mit mehreren
Arbeitsmodulen 20 gezeigt, wobei eine abgewandelte Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Direktantriebs
eingesetzt wird. Mehrere quasistationäre Komponenten 8 sind
dabei über
ein Gestellelement bzw. die Arbeitsmodule 20 fest mit der
Passiveinheit 1 verbunden. Es ist erkennbar, dass auf der
Passiveinheit mehrere Arbeitsmodule 20 positioniert werden können. Im
dargestellten Beispiel werden drei Arbeitsmodule 20 und
eine bewegliche Aktiveinheit 3 genutzt. Die Lage der Arbeitsmodule 20 wird
beispielsweise über
Montagestifte 21 vorgegeben. Damit sind auch die Fixpunkte
für die
quasistationären Komponenten 8 bestimmt.
In vielen Fällen
wird es auf die absolute Position der jeweiligen quasistationären Komponente 8 gegenüber der
Passiveinheit 1 nicht oder nicht mit hoher Genauigkeit
ankommen, da für die
Positionierungsaufgaben die exakte Bestimmung der Lage zwischen
der quasistationären
Komponente 8, die beispielsweise die Position eines Greifers markieren
könnte,
gegenüber
der bewegten Komponente 7, welche die aktuelle Position
der beweglichen Aktiveinheit 3 wiedergibt, ankommt.
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Die
bewegliche Aktiveinheit 3 kann während eines Fertigungsprozesses
das jeweils gewünschte Arbeitsmodul 20 anfahren.
Die bewegte Komponente 7 wird immer mit bewegt, so dass
an jedem Arbeitsmodul eine Positionierung mit hoher Genauigkeit
erfolgen kann. Bei abgewandelten Ausführungsformen könnten auch
mehrere beweglich Aktiveinheiten auf der Lauffläche 2 der Passiveinheit 1 angeordnet
sein. nach neuer 2
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Für den Fachmann
wird auch ohne weiteres verständlich
sein, dass bei einer abgewandelten Ausführungsform auch die Maßverkörperung
die quasistationäre
Komponente bilden kann, während
der Messsensor als bewegliche Komponente mit der Aktiveinheit verbunden
ist.
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Weitere
Abwandlungen und Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sind
möglich.
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- 1
- Passiveinheit
- 2
- Lauffläche
- 3
- erste
Aktiveinheit
- 4
- Lagerspalt
- 5
- Hilfselemente
- 6
- Messkomponentenraum
- 7
- bewegte
Komponente
- 8
- quasistationäre Komponente
- 9
- Messfläche
- 10
- zweite
Aktiveinheit
- 11
- Werkstückhalter
- 20
- Arbeitsmodul
- 21
- Montagestifte