DE19601018A1 - Linear verstellbarer Präzisionstisch - Google Patents
Linear verstellbarer PräzisionstischInfo
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Description
Linear verstellbare Präzisionstische sind aus dem Stand der
Technik bestens bekannt und sind insbesondere in der
Ausgestaltung als X-Y-Tische bestens bekannt. Auch ist es
bekannt, zwei Platten eines X-Y-Tisches magnetisch miteinander
zu verspannen. Desweiteren sind Linearmotoren aus dem Stand der
Technik bestens bekannt.
Es ist auch bekannt, an einem X-Y-Tisch einen Linearmotor
anzubringen. So ist aus der US-PS 4,985,651 ein Linearmotor mit
magnetisch vorgespannter Lagerung bekannt. Dabei wirkt die
Verstellkraft seitlich auf den zu verstellenden Tisch.
Aus der US-PS 4,654,571 ist ein zweidimensionales
Bewegungssystem bekannt, bei dem ein Wafertisch mit vier Spulen
an seiner Tischunterseite über eine Plattform mit einer Vielzahl
von Magneten bewegt werden kann. Durch Luftlager wird dabei der
Wafertisch auf der Plattformoberfläche schwimmend gelagert.
Wenngleich durch eine aufwendige optische Meßanordnung und eine
komplizierte Steuerung der Wafertisch sehr genau positioniert
werden kann, ist diese Anordnung sehr aufwendig und
schwingungsanfällig. Durch die gewählte Krafteinleitung kann es
sehr lange dauern, bis die gewünschte Position erreicht wird.
Aus der US-PS 5,228,358 ist ein X-Y-Tisch bekannt, bei welchem
zwischen den Platten eines X-Y-Tisches Magnete angebracht sind,
welche für eine magnetische Vorspannung zwischen den Platten
sorgen. Die Antriebselemente selber sind seitlich der Platten
angeordnet.
Aus der US-PS 5,216,590 ist ein kontaktlos geführter
Positioniertisch bekannt, bei welchem auch die antreibenden
Linearmotoren für die Bewegung in der X-Y-Ebene seitlich
angeordnet sind.
Aus der US-PS 5,040,431 ist ein geführter Bewegungsmechanismus
bekannt, bei welchem auch Linearmotore für eine Bewegung in der
X-Y-Ebene sorgen. Die magnetische Vorspannung wird dabei durch
von den Linearmotoren unabhängigen Magneten bewirkt.
Nachteilig an einer seitlichen Anordnung eines Linearantriebes
bei einem X-Y-Tisch ist, daß sich die bewegten Platten bei
einer Bewegung in der X-Y-Ebene verkanten, daß es mit anderen
Worten zu einer Drehbewegung der Platten kommt. Dies kann man
verhindern, indem man auf beiden Seiten der Platten jeweils
einen Linearantrieb anbringt. Dies bedeutet aber, daß man die
beiden Linearantriebe aufeinander abstimmen muß und
letztendlich kleinere Drehbewegungen der Platten doch nicht
ganz unterdrücken kann.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zu schaffen,
mit welchem eine Platte in Bezug zu einer anderen Platte axial
verschoben werden kann, ohne daß durch den Antrieb Rotations
kräfte auftreten und bei welchem die dazu benötigte Anzahl von
Komponenten möglichst gering gehalten werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den kennzeichnenden
Teil des ersten Patentanspruchs gelöst.
Weitere vorteilhafte Merkmale der Erfindung sind in den
Unteransprüchen beschrieben.
Der erfindungsgemäße Präzisionstisch, bei welchem eine zu
bewegende Platte gegenüber einer zumindest relativ
feststehenden Platte magnetisch vorgespannt ist, hat den
Vorteil, daß man eine gut kontrollierbare Präzisionsbewegung
erhält, welche die Lager bzw. die Lagerung zwischen den Platten
kaum belastet und einen langen, wartungsfreien Betrieb des
Präzisions-Tisches garantiert.
Als Antrieb eignet sich insbesondere ein Linearantrieb, welcher
neben der Antriebsfunktion auch die magnetische Vorspannung
zwischen den beiden Platten bewirkt. Dieser Linearantrieb ist
dabei gemäß dem bekannten Stand der Technik aus mindestens
einem Magneten und zumindest einer Spule aufgebaut.
Durch die Einleitung der resultierenden Verstellkraft im
Zentrum der zu bewegenden Platte, wobei der Antrieb als solches
selber nicht zentral sondern seitlich angeordnet sein kann, ist
die Präzisionsbewegung sehr exakt. Die Ausführung mit Linear
antrieb hat einen doppelten Vorteil:
- 1) zum einen kann man die beiden Platten magnetisch vorspannen und somit eine sichere Bewegung der einen Platte auf der anderen sicherstellen;
- 2) zum anderen kann man die Magnete zur Vorspannung der beiden Platten gleich als Teil eines Linearantriebs benutzen, wodurch der Präzisions-Tisch sehr kompakt wird und der Antrieb problemlos zwischen die beiden Platten eingebaut werden kann.
Vorteilhafterweise sind die Feldlinien von Magnet und Spule im
wesentlichen senkrecht bzw. parallel zur Bewegungsachse der
bewegten Platte orientiert.
Wenn man die Magnete des Linearantriebs zur Vorspannung der
beiden Platten zueinander verwendet, erhält man den schon oben
genannten Vorteil.
Vorteilhafterweise ist parallel zur Bewegungsachse jeweils ein
Kugellager zwischen den beiden Platten angebracht.
Um die Ansteuerung des Linearantriebs zu erleichtern, kann man
eine Mittenplatte vorsehen, so daß die eine Bewegungsachse
durch die Bewegung der Mittenplatte relativ zur Basisplatte und
die andere Bewegungsachse durch die Bewegung der Deckplatte
relativ zur Mittenplatte gegeben ist.
Mit einem Endanschlag für die bewegte Platte kann man einen
mechanisch begrenzten Bewegungsspielraum festlegen.
Teilt man den Linearantrieb auf, so kann man eine freie Mitten
öffnung erhalten. Diese ist vorteilhafterweise durchgängig.
Eine reibungsfreie Lagerung der Platten kann man vorteilhafter
weise durch Luftlager erhalten. Indem man die Rollkugeln in
einem Käfig faßt, kann man eine 1 : 2 Übersetzung realisieren.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der Fig. 1a-8d
beispielhaft näher erläutert, wobei in der Figurenbeschreibung
weitere erfinderische Gedanken erläutert werden. Die Figuren
zeigen im einzelnen:
Fig. 1a ein Schnitt durch eine erste Variante nach der
erfindungsgemäßen Lösung;
Fig. 1b einen Schnitt durch die in Figur Ia dargestellte
Variante parallel zu den oberen Kugellagerführungen
in der Deckplatte;
Fig. 1c einen Schnitt durch die in Fig. 1a dargestellte
Variante parallel zu den unteren Kugellagerführungen
in der Mittelplatte;
Fig. 2 eine alternative Variante zu der in der Fig. 1a
dargestellten Anordnung;
Fig. 2a eine dreidimensionale Darstellung der in der Fig. 2
dargestellten Anordnung;
Fig. 3a eine Prinzipskizze zur Reduzierung der Rollwege der
Kugeln des Kugellagers;
Fig. 3b ein erste Variante im Schnitt, welche die zu Fig. 3a
beschriebene Rollweg-Reduzierung verwendet;
Fig. 3c ein weitere Variante im Schnitt, welche die zu Fig.
3a beschriebene Rollweg-Reduzierung verwendet;
Fig. 4a eine dritte Variante nach der erfindungsgemäßen
Lösung in einem Aufsichtsschnitt;
Fig. 4b ein vertikaler Schnitt (IVb) durch den in Fig. 4a
dargestellten Tisch;
Fig. 4c ein vertikaler Schnitt (IVc) durch den in Fig. 4a
dargestellten Tisch;
Fig. 4d eine Darstellung der Kräfte und Magnetfelder des
Tisches aus Fig. 4a und 4d;
Fig. 5a eine erste Variante nach der erfindungsgemäßen Lösung
in einem Aufsichtsschnitt, welche mit nur zwei
zueinander bewegten Platten auskommt;
Fig. 5b ein Schnitt durch den Tisch aus Fig. 5a entlang der
Schnittlinie (Vb);
Fig. 5c ein Schnitt durch den Tisch aus Fig. 5a entlang der
Schnittlinie (Vc);
Fig. 6 eine weitere Variante nach der erfindungsgemäßen
Lösung in einem Aufsichtsschnitt, welche mit nur zwei
zueinander bewegten Platten auskommt.
Fig. 7a ein erfindungsgemäßer Tisch als schematische
Zeichnung mit Luftlagern in Aufsichtsschnitt;
Fig. 7b der Tisch aus Fig. 7a im Schnitt;
Fig. 8a ein erfindungsgemäßer Tisch mit großer freier Mitten
öffnung als schematische Zeichnung der Basisplatte in
Aufsichtsschnitt entlang der Schnittlinie (VIIIa) von
Fig. 8b;
Fig. 8b der Tisch aus Fig. 8a im Schnitt in Y-Achse entlang
der Schnittlinie (VIIIb);
Fig. 8c die Unterseite der Deckplatte aus Fig. 8b; und
Fig. 8d der Tisch aus Fig. 8a und 8c im Schnitt in X-Achse
entlang der Schnittlinie (VIIIc).
Der in der Fig. 1 dargestellte linear verstellbare Präzisions
tisch ist in der Fig. 1a im Schnitt-in der X-Z-Ebene und in
den Fig. 1b und 1c im Schnitt in der X-Y-Ebene dargestellt.
Der Tisch besteht aus einer Basisplatte (1), einer Mittelplatte
(2) und einer Deckplatte (3) und besitzt eine in der X-Y-Ebene
verstellbare Oberseite (3a) der Deckplatte (3). Die drei
Platten (1, 2, 3) bestehen aus einem nichtmagnetischen Werk
stoff.
Die Basisplatte (1) liegt mit ihrer glatten Unterseite (1b)
fest auf einer Basis (z. B. ein Tisch) auf. Auf der Oberseite
(1a) der Basisplatte (1) ist ein Weicheisenjoch (6) eingelegt.
Dieses Weicheisenjoch (6) erstreckt sich axial in Richtung der
Bewegungsachse (d. h. hier in X-Achsenrichtung) und ist so
dimensioniert, daß es mit der seitlichen Ausdehnung der an der
Mittelplatte (2) angebrachten Magnete (7) im wesentlichen über
einstimmt. Seine axiale Ausdehnung ist so dimensioniert, daß
die bewegten Magnete (7) an der Mittelplatte (2) niemals über
dieses Weicheisenjoch (6) hinaus ragen. Weicheisenjoch (6) und
Basisplatte (1) schließen beide in der X-Y-Ebene ab, d. h. die
Kombination aus Weicheisenjoch (6) und Basisplatte (1) bildet
im wesentlichen einen rechteckigen Körper, welcher seine größte
Ausdehnung in der X-Y-Ebene hat und ebene obere und untere
Flächen (1a, 1b) aufweist, wobei die Ebenheit der oberen Fläche
(1a) der Kombination nur durch zwei Kugellagerführungen mit
Rollkörpern (4) (Kugeln oder Kugelzylinder) unterbrochen ist.
Auf dem Weicheisenjoch (6) ist eine Kupferspule (9) mit vielen
Windungen angebracht, wobei die Windungen quer zur Bewegungs
richtung im wesentlichen flach in der X-Y-Ebene angeordnet
sind. Diese Spule (9) kann von außen mit einem veränderlichen
Strom beschickt werden, so daß das durch sie erzeugbare Magnet
feld eine von außen veränderbare Größe besitzt.
Zwischen der Basisplatte (1) und der Mittelplatte (2) ist seit
lich der Antriebsachse jeweils eine Kugellagerführung mit
Kugeln (4) angebracht. Die beiden Kugellagerführungen mit ihren
Kugeln (4) sind parallel zueinander in Richtung der
Antriebsachse ausgerichtet. Eine der beiden Kugellagerführungen
erlaubt auch in geringem Maße eine Bewegung der in ihr
geführten Kugeln (4) senkrecht zur Ausrichtung der Führung.
Demhingegen ist die andere Kugelführung so gestaltet, daß die
in ihr befindlichen Kugeln (4) sich definitiv nur in der Achse
der Kugelführung bewegen können.
Dies ist in der Fig. 1a für die beiden Kugellagerführungen (5)
zwischen der Mittelplatte (2) und der Deckplatte (3) deutlicher
zu sehen.
Zwischen diesen beiden Kugelführungen mit ihren Kugeln (4) ist
ein Linearantrieb angeordnet. Dieser Linearantrieb besteht im
wesentlichen aus dem beschriebenen Weicheisenjoch (6) auf der
Oberseite der Basisplatte (1) und zwei Magneten (7), welche an
einer Weicheisenplatte (8) an der Unterseite der Mittelplatte
(2) angebracht sind. Diese Weicheisenplatte (8) ist fest mit
der Unterseite (2b) der Mittelplatte (2) verbunden.
Die Weicheisenplatte (8) ist quer zur Bewegungsachse im
wesentlichen genauso breit wie die auf ihr angebrachten Magnete
(7). In axialer Richtung endet die Weicheisenplatte (8) im
wesentlichen an den äußeren Enden der Magnete (7). Zwischen den
beiden auf der Weicheisenplatte (8) angebrachten Magneten (7a,
7b) besteht ein leerer Zwischenraum. Die rechteckförmigen
Magnete (7a, 7b) besitzen eine relativ große, im wesentlichen
rechteckige Ausdehnung in der X-Y-Ebene und nur eine relativ
geringe Ausdehnung in der Z-Achse. Sie sind so an der Weich
eisenplatte (8) angebracht, daß ein Magnet (7a) mit seinem
Südpol an der Weicheisenplatte (8) angebracht ist, während der
andere Magnet (7b) mit seinem Nordpol an der Weicheisenplatte
(8) angebracht ist. Die beiden Magnete (7a, 7b) sind Dauer
magnete, um die Leistungsaufnahme der Antriebseinrichtung
möglichst niedrig zu halten.
Die Mittelplatte (2) besteht im wesentlichen aus einem
rechteckförmigen Körper, welcher seine größten Flächen in der
X-Y-Ebene aufweist. Bei einer Bewegung der Mittelplatte (2) in
axialer Richtung wird durch die oberen (5a, 5b) und unteren
Kugellagerführungen erreicht, daß der Abstand zwischen der
Spule (9) auf dem unteren Weicheisenjoch (6) und den Magneten
(7a, 7b) im erlaubten Bewegungsbereich immer konstant ist.
Auf der Oberseite (2a) der Mittelplatte (2) sind seitlich zwei
Kugellagerführungen (5a, 5b) angebracht, welche mit den äußeren
Rändern der Oberfläche der Mittelplatte (2) formschlüssig
abschließen. Zwischen den beiden Kugellagerführungen (5a, 5b)
besitzt die Oberfläche der Mittelplatte (8) eine Ausnehmung, in
welcher ein Weicheisenjoch (10) für den oberen einachsigen
Linearantrieb angebracht ist. Dieses Weicheisenjoch (10)
besitzt seitlich einen gewissen Freiraum in Richtung zu den
Kugellagerführungen (5).
Das obere Weicheisenjoch (10) besitzt eine Ausdehnung quer zur
Antriebsrichtung, welche im wesentlichen mit der seitlichen
Ausdehnung der oberhalb des Jochs angeordneten Magnete des
Linearantriebs übereinstimmt. Seine axiale Ausdehnung ist so
dimensioniert, daß die bewegten Magnete (11) an der Deckplatte
(3) niemals über dieses Weicheisenjoch (10) hinausragen.
Auf diesem oberen Weicheisenjoch (10) ist eine zweite Spule
(13) angebracht. Diese Spule (13) ist in der Fig. 1b dar
gestellt. Wie bei der Spule (9) des unteren Linearantriebs ist
auch hier der geschlossene Spulenkörper quer zur Bewegungs
richtung so gewickelt, daß die Wicklungen der Spule (13) in der
X-Y-Ebene im wesentlichen nebeneinander angeordnet sind.
Demhingegen sind die Wicklungen der Spule (13) parallel zur
Bewegungsrichtung so angeordnet, daß sich ein im wesentlichen
quadratischer Querschnitt ergibt.
In der Grundstellung der Platten (1, 2, 3) zueinander liegen
die quer zur Bewegungsrichtung orientierten Windungen der Spule
(13) genau in der Mitte der Magnete (11a, 11b), wie in der
Fig. 1b dargestellt. Die Oberfläche der Magnete (11a, 11b) ist
so dimensioniert, daß im erlaubten Bewegungsbereich die Spule
(13) sich immer im Raum oberhalb/unterhalb der Magnete (11a,
11b) befindet, unabhängig ob die Bewegung in + oder - Richtung
auf der Bewegungsachse erfolgt.
Das in den Fig. 1b und 1c angedeutete lineare Kugellager
(5a, 5b) besteht aus je zwei V-Schienen an der Unterseite (3b)
der Deckplatte (3) und an der Mittelplatte (2). Sie sind so
zueinander justiert, daß sie genau parallel zueinander aus
gerichtet sind. Zwischen den V-Schienen verlaufen die in
Käfigen gefaßten Kugeln (16).
Die Spulen (9) und (13) sind horizontal gewickelt und liegen im
Luftspalt zwischen den Jochs (6) und (10) und den Dauermagneten
(7a, 7b und 11a, 11b). Dabei sind die Dauermagnete (7a, 7b)
bzw. (11a, 11b) über die jeweilige Weicheisenplatte (8) bzw.
(12) magnetisch hintereinander geschaltet.
Der magnetische Kreis ist geschlossen über das Joch (6) bzw.
(10), den beiden Luftspalten zwischen den Magneten (7a, b) und
den Spulen (9, 13) bzw. den Weicheisenplatten (8 bzw. 12). Die
Magnete (7) bzw. (11) üben auf das Joch (6) bzw. (10) eine
Anzugskraft aus, die versucht, den Luftspalt zwischen diesen zu
schließen. Der Luftspalt wird aber durch die linearen Kugel
lagerführungen (5) auf einen definierten Betrag gehalten.
Dadurch werden die sich gegenüberliegenden Platten (1, 2, 3)
gegeneinander magnetisch vorgespannt.
Die Anpreßkraft, mit denen z. B. die V-Schienen der Basisplatte
(1) und der Mittelplatte (2) gegen die Kugeln (4) gedrückt
werden, ist die magnetische Anzugskraft, die zwischen dem Joch
(6) und den Dauermagneten (7) herrscht. Die Anzugskraft wird
berechnet nach der Gleichung:
Fließt in der Spule (9 oder 13) Strom, so entsteht durch das
elektromotorische Prinzip eine Kraft zwischen Spule (9 bzw. 13)
und Dauermagneten (7 bzw. 11), also zwischen Basisplatte (1)
und Mittelplatte (2) bzw. zwischen Mittelplatte (2) und Deck
platte (3) parallel zu den jeweiligen linearen
Kugellagerführungen (5).
Die zweite Bewegungsrichtung erfolgt zwischen der Mittelplatte
(2) und der Deckplatte (3) und ist der ersten Bewegungsrichtung
zwischen Basisplatte (1) und Mittelplatte (2) und 90° gedreht.
Das Weicheisenjoch (10) und deren Spule (13) bildet mit den
Magneten (11) auf der Weicheisenplatte (12) den zweiten Linear
antrieb analog zum ersten Antrieb.
Das Joch (10) mit der Spule (13) und die unteren zwei V-
Schienen des linearen Kugellagers (5a, 5b) sind an der Mittel
platte (2) fest verankert. Die Weicheisenplatte (12) mit dem
Magneten (11) und die gegenüberliegenden zwei V-Schienen der
Kugellagerführungen des Kugellagers (5a, 5b) sind mit der Deck
platte (3) fest verbunden.
An dem Tisch ist auch ein zweidimensionales inkrementales Weg
meßsystem (auch in der Figur nicht dargestellt) angebracht,
welches zur Positionsmessung verwendet wird.
Durch die Linearmotoren wird die Kraft jeweils symmetrisch in
den Tisch eingeleitet, so daß keine radialen Kräfte auftreten.
Dies erhöht die Verstellgenauigkeit des Tisches in jeder der
beiden erlaubten Bewegungsrichtungen.
Für Anwendungen, bei denen es auf Positionsgenauigkeiten im
Nanometerbereich und einer Langzeitkonstanz auch bei
Temperaturschwankungen ankommt, können die Platten (1, 2, 3)
z. B. aus Zerodur hergestellt werden. Die Kugeln (4) bzw. (16)
und die V-Schienen (5a und 5b) werden vorteilhafterweise aus
Keramik hergestellt.
Zwischen den jeweiligen Platten herrscht nur die Roll- und
Haftreibung der Kugeln (4) bzw. (16), so daß nur relativ
geringe Schubkräfte für die Verstellung der Platten relativ
zueinander benötigt werden. Die Verlustleistung in den Spulen
ist gering und damit bleibt auch die Erwärmung der Platten
gering.
Der Gesamtverstellweg beträgt bei dieser dargestellten
Anordnung ungefähr 25 mm, d. h. jeweils 12,5 mm in jeder
Richtung auf der Bewegungsachse.
Alternative Lösungen für einen X-Y-Verstelltisch sind in den
folgenden Figuren dargestellt.
In der Fig. 2 und 2a ist eine alternative Anordnung der Spulen
(9′, 13′) und Magnete (7′, 11′) zueinander an der Basisplatte
(1′), Mittenplatte (2′) und Deckplatte (3′) dargestellt. Der
Strom für die Spulen (9′, 13′) muß hier nur zur Mittelplatte
(2′) geleitet werden, da an dieser Platte (2′) beide Spulen
(9′, 13′) befestigt sind.
Ansonsten gelten auch alle zu der in den Fig. 1a-1c dar
gestellten Anordnung gemachten Angaben hinsichtlich des Weich
eisenjochs (6′, 10′), der Magnete (7′, 11′), der Spulen (9′,
13′), der Weicheisenplatten (8′, 12′) und der verwendeten
Materialien sinngemäß, da im wesentlichen hier nur eine Aus
tausch der Lage der Magnete (7′, 11′) bezüglich der Spulen (9′,
13′) und umgekehrt erfolgt ist.
Die Bezugszeichen aus den Fig. 1a-1c sind deshalb in Fig. 2
entsprechend verwendet worden und lediglich mit einem (′)
versehen ( d. h. (1) in den Fig. 1a-1d entspricht (1′) in der
Fig. 2 und 2a).
Zur Steigerung der Übersicht sind die auch bei der in der Fig.
2 dargestellten Anordnung notwendigen Kugellagerführungen mit
den in Käfigen geführten Kugeln in der Fig. 2 nicht
dargestellt, müßten aber zur Durchführung der Erfindung wie in
Fig. 1a-c beschrieben ausgeführt werden.
In der Fig. 2a ist die Variante nach Fig. 2 in einer drei
dimensionalen Darstellung dargestellt. Hier wird dann auch
ersichtlich, daß der erfindungsgemäße X-Y-Tisch wesentlich
kompakter gebaut werden kann, als dies nach dem Stand der
Technik der Fall ist.
In den Fig. 3a-c ist ein linear verstellbarer Tisch mit
Übersetzung dargestellt, bei welchem die Kugeln des Kugellagers
bei einer Bewegung der einen Platte relativ zur anderen Platte
nur den halben Weg zurücklegen müssen.
In einem rotierenden Kugellager mit Kugeln bewegt sich ein
Kugelkäfig mit der halben Geschwindigkeit wie die Welle. Bei
einem linearen Kugellager ist dieser Effekt zwangsläufig
derselbe. Dieser Effekt wird hier zur Wegverdopplung
ausgenutzt.
Fig. 3a zeigt zwei übereinander liegende Platten (20, 21).
Zwischen den Platten (20, 21) laufen Rollen (22), die in einem
Käfig (23) gefaßt und gelagert sind. Verschiebt man die obere
Platte (20) um eine Wegstrecke s₁, so legt der Rollenlagerkäfig
(23) nur den halben Weg s₂ zurück (Untersetzung).
Leitet man eine Kraft F an den Rollenlagerkäfig (23) ein
anstatt an der oberen Platte (20), so erzielt man den
umgekehrten Effekt (Übersetzung). Die obere Platte (20) bewegt
sich doppelt so schnell wie der Rollenlagerkäfig (23).
Koppelt man den Käfig (23) mit der Spule eines Linearantriebs
(in der Fig. 3a nicht dargestellt; technisch zu realisieren
wie in der Fig. 2 dargestellt und zu den Fig. 1a-1d
erläutert), so kann man sich z. B. einen X-Y-Linearmotor vor
stellen, bei dem der Motor gegenüber der Tischverstellung nur
den halben Weg ausführen muß. Dies hat den Vorteil, daß die
Spule bzw. die Dauermagnete (hier nicht dargestellt) nur halb
so lang sein müssen.
Fig. 3b zeigt ein mögliche Realisierung eines x-y-linear
verstellbaren Tisches mit breiter Spule (29) und schmalen
Magneten (27) in einem schematischen X-Z-Schnitt. Die Spulen
breite ist hier Verstellweg plus Breite eines Magneten.
Die Magnete (27) sind auf einer Seite einer Weicheisenplatte
(28) entsprechend den Ausführungen zu Fig. 1a-1d befestigt,
während die Weicheisenplatte (28) auf der gegenüberliegenden
Seite mit der Basisplatte (24) befestigt ist.
An der Unterseite der Mittenplatte (25) ist ein Weicheisenjoch
(30) angebracht. Zwischen der Basisplatte (24) und der Mittel
platte (25) liegen lineare Kugellager analog zu denen, die im
Folgenden beschrieben sind.
Auf der Oberseite der Mittenplatte (25) ist ein Weicheisenjoch
(32) zwischen zwei Kugellagern (36a, 36b; 38a, 38b) angebracht.
Die Spule (37) bzw. (29) ist nun so fest an den Kugelkäfigen
(35a, b) der linearen Kugellager (36a, b und 38a, b) befestigt,
daß sie sich frei im Magnetfeld zwischen Magnete (33, 27) und
Joch (32, 30) bewegen kann. Die Kugeln (37a, 37b) der Kugel
lager (36a, 36b; 38a, 38b) sind in Käfigen (35a, 35b) geführt
und gehalten, so daß die Kugeln (37a, 37b) immer den gleichen
Abstand zueinander haben.
Ein Kugellager (36a, 36b) ist dabei als Zwangsführung mit zwei
Kugellagerführungen (36a, 36b) ausgebildet, während das andere
Kugellager (38a, 38b) mit ihren zwei Kugellagerführungen (38a,
38b) auch eine gewisse Bewegung der auf ihr laufenden Kugeln
(37b) quer zur Bewegungsachse erlaubt. Die entsprechende
konstruktive Ausgestaltung der Kugellager (36a, 36b; 38a, 38b)
ist aus Fig. 3b ersichtlich.
Oberhalb der oberen Spule (31) sind wiederum zwei Magnete (33)
entsprechend den unteren Magneten (27) an der Unterseite einer
Weicheisenplatte (34) angebracht, welche mit ihrer Oberseite
fest an der Deckplatte (26) befestigt ist.
Fig. 3c zeigt eine Variante der in Fig. 3b dargestellten
Lösung mit schmaler Spule (43) und breitem Magneten (42a, 42b),
wobei nur zwei Platten (40, 41) für eine lineare Bewegung in
einer Achse dargestellt ist. Um auch hier die Bewegung in der
anderen Achse zu ermöglichen, müßte eine entsprechende
Anordnung oberhalb der oberen, bzw. unterhalb der unteren
Platte (40, 41) noch einmal angeordnet werden.
Die Magnetbreite ist hier Verstellweg plus Spulenbreite. Auch
hier wird die Anzugskraft der Magnete zur Lagerverspannung
ausgenutzt.
In den Fig. 4a-4c ist nun erstmals ein erfindungsgemäßer
X-Y-Tisch mit einem Linearantrieb, welcher einen eisenlosem
Anker besitzt, dargestellt, welcher eine Bewegung in zwei
Bewegungsachsen ermöglicht.
Dieser X-Y-Tisch besteht im wesentlichen aus zwei Platten,
welche in einer Ebene (X-Y) zueinander verschoben werden. Die
eine Platte ist ein quadratischer Rahmen aus Weicheisen, an
welcher jeweils ein Magnet (46a, 46b, 46c, 46d) in der Mitte
jeder Seite (44a, 44b, 44c, 44d) angeordnet ist. In den Ecken
des quadratischen Rahmens ist jeweils ein Weicheisenstator
(47a, 47b, 47c, 47d) angeordnet, welche für einen definierten
Abstand der oberen Teilplatte (44′) zur unteren Teilplatte
(44′′) sorgen. Die Magnete (46a, 46b, 46c, 46d) und die
Statoren (47a, 47b, 47c, 47d) haben eine rechtecksäulenförmige
Gestalt mit quadratischer Grundfläche.
Zwischen der oberen und unteren Teilplatte (44′, 44′′), welche
starr miteinander verbunden sind, ist beweglich eine zweite
Platte angeordnet. Diese Platte besteht aus vier rechteck
förmigen Luftspulen (48a, 48b, 48c, 48d), welche in Aufsicht
eine quadratische Fläche besitzen. Im Inneren dieser Spulen
(48a, 48b, 48c, 48d) verläuft ein Weicheisensteg (44′′′),
welcher mit den seitlich angeordneten Statoren (47a, 47b, 47c,
47d) fest verbunden ist.
Die vier rechteckig geformten Luftspulen (48a, 48b, 48c, 48d)
sind zu einem Kreuz zusammengefügt, wobei der Wickelsinn von
außen nach innen verläuft. Die Spulen (48a, 48b, 48c, 48d)
laufen in einem geschlossenen Magnetkreis. Dieser Magnetkreis
ist in der Fig. 4d dargestellt, wobei mit 1 der mögliche
Verstellweg in einer Achse in einer Richtung angegeben ist. Mit
F sind die Kraftvektoren bezeichnet, welche die Verstellung der
Platten je nach Stromrichtung zueinander bewirken.
Bei dieser Variante mit den eisenlosen Spulen (48a, 48b, 48c,
48d) werden keine Kräfte senkrecht zur Bewegungsrichtung
ausgeübt, die von einem Lager aufgenommen werden müssen. Dies
kann für manche Anwendungen ein Vorteil sein.
Man könnte sich auch einen X-Y-Verstelltisch so vorstellen, daß
die zu verstellende Platte mit den Luftspulen (48a-48d)
gekoppelt ist und über Luftflächenlager zur Basisplatte mit dem
Magnetkreis vollkommen reibungslos gelagert ist. Reibungslose
Lager in Verbindung mit der geringen Masse der Luftspulen
bieten den Vorteil der Realisierung von hochdynamischen
Anwendungen.
Der Nachteil dieser Lösung ist, daß sehr viel Kupfer nicht im
aktiven Magnetfeld liegt. Der nicht aktive Kupferanteil erhöht
die Verlustleistung und verschlechtert den Wirkungsgrad.
Der schlechte Wirkungsgrad wird bei einem reibungsfreien
Luftlager zum Teil dadurch kompensiert, da weniger Schubkraft
benötigt wird und eine geringere Masse zu bewegen ist.
Bei der Lösung eines Verstelltisches mit einem zweidimen
sionalem Linearmotor in Verbindung mit einem Luft- bzw. Kugelflächenlager
können neben den Bewegungen in X und Y auch
Drehbewegungen der Tischplatte relativ zur Basisplatte um die
Z-Achse in Folge von exzentrisch auf die Tischplatte wirkende
Kräfte auftreten.
Diese Drehbewegungen können in einem Positionskegelkreis
ausgeregelt werden, wenn zusätzlich zu den X- und Y-Achsen
positionsmeßsystem noch mit einem zusätzlichen Sensor die Dreh
bewegung gemessen wird. Die gegenüberliegenden Spulen die auf
eine Achse wirken (z. B. 48a und 48c auf die Y-Achse) werden
getrennt voneinander, in Abhängigkeit vom Drehwinkel und
Vorzeichen vom Regler mit Differenzströmen beaufschlagt, bis
der Drehwinkel zu Null wird. Wird die Spule (48a) z. B. mit
einem positiven- und die Spule (48c) mit einem negativen Strom
beaufschlagt, so gibt es ein Drehmoment um die Z-Achse.
Ein besonderer Vorteil dieses Lösung besteht darin, daß in
seiner Mitte ein sich in der X-Y-Ebene bewegender Bereich mit
einem freien Durchlaß (49) existiert, welcher z. B. für
Beleuchtungszwecke oder Beobachtungszwecke benutzt werden kann,
wenn man den Tisch an einem Mikroskop verwendet.
In den Fig. 5a, 5b und 5c ist nun ein zweiachsig bewegbarer
Tisch dargestellt, bei welchem nur zwei zueinander bewegte
Platten (50, 51) vorhanden sind und bei welchem das Prinzip der
Weg-Übersetzung mit Rollkugellagern (52a, 52b, 52c, 52d)
angewendet wird. Fig. 5c zeigt dabei einen Schnitt nach dem
Schnittlinienverlauf von (Vc). Der Verstellweg der hier
gezeigten Variante ist ± 20 mm, wobei der Linearmotor nur für
einen Weg von ± 10 mm ausgelegt werden muß.
Der Tisch besteht im wesentlichen aus einer Basisplatte (50),
einer Deckplatte (51) und den zwischen Basis- (50) und
Deckplatte (51) frei beweglichen Spulen (53a-53b). Die Spulen
(53a-53b) sind kreuzweise übereinander angeordnet. In den vier
Ecken der Spulen (53a, 53b) ist jeweils eine Rollkugel (52c′)
(52a′, 52b′, 52d′ aus Übersichtlichkeitsgründen nicht
gekennzeichnet) angebracht, welche den Abstand der beiden
Platten (50, 51) zueinander festlegen. Jede dieser Rollkugeln
(52c′) (52a′, 52b′, 52d′ aus Übersichtlichkeitsgründen nicht
gekennzeichnet) ist axial über eine Achse (52′c) (52′a, 52′b,
52′d aus Übersichtlichkeitsgründen nicht gekennzeichnet) in
einem ringförmigen Käfig (52c′′) (52a′′, 52b′′, 52d′′ aus
Übersichtlichkeitsgründen nicht gekennzeichnet) gelagert,
welcher wiederum über jeweils ein Kugellager (52′′c) (52′′a,
52′′b, 52′′d aus Übersichtlichkeitsgründen nicht
gekennzeichnet) drehbeweglich mit den Spulen (53a, 53b), fest
verbunden ist. Die Kugeln (52c′) (52a′, 52b′, 52d′) aus
Übersichtlichkeitsgründen nicht gekennzeichnet) laufen dabei
sowohl auf der Basisplatte (50) als auch auf der Deckplatte
(51) im erlaubten Bewegungsbereich auf geschliffenen
Lagerflächen (54c′′′). In den Ecken der Basisplatte (50) ist
jeweils ein Endanschlag (58a, 58b, 58c, 58d) vorhanden, welche
die Bewegung der Rollkugellager (52a, 52b, 52c, 52d), und damit
der Deckplatte (51) auf den erlaubten Bereich begrenzt.
Wird nun die Deckplatte (51) seitlich bewegt, so kommt es zu
einer leichten Schlenkerbewegung aufgrund der Ausgestaltung der
Rollkugellager (52a, 52b, 52c, 52d). Diese Schlenkerbewegung
muß von der Positionsregelung für die X- und Y-Achse
vorgehalten werden. Dies kann z. B. durch gespeicherte
Ausgleichskurven in einem Steuercomputer geschehen oder z. B.
durch einen Vergleich von Soll- und Istposition mittels eines
in zwei Achsen messenden Weg-Meßsystems (in der Figur nicht
dargestellt; konstruiert nach dem bekannten Stand der Technik).
In der hier dargestellten beispielhaften Anwendung kombiniert
man einen zweidimensionalen Linearmotor mit einem auf einer
Ebene bewegbaren Rollkugellagern (52a, 52b, 52c, 52d).
Analog zum eindimensionalen Linearverstellen sind dabei zwei
Platten (50, 51) vom Magnetfeld des zweidimensionalen
Linearmotors magnetisch gegeneinander verspannt. Der Abstand
der Platten (50, 51) zueinander wird durch die Rollkugellager
(52a, 52b, 52c, 52d) festgelegt. Zwei zweidimensional
bewegliche Spulen (53a, 53b) in einem Hohlraum zwischen den
Platten (50, 51) sind miteinander und mit den Kugellagern (52a,
52b, 52c, 52d) gekoppelt.
Hierbei liegen die Wicklungen für den X-Y-Motor kreuzweise
übereinander. Je zwei gegenüber angeordnete Dauermagnete (54)
für den X- bzw. Y-Antrieb sind mit einem Weicheisenschluß (55)
in der Basisplatte (50) verankert. Ein kreuzförmig ausgebil
deter zweiter Weicheisenschluß (56) in der Deckplatte (51)
schließt über einen Luftspalt, in dem sich ein Teil der Spulen
(53a, 53b) frei bewegen kann, den magnetischen Kreis.
Fließt Strom durch eine der beiden oder auch gleichzeitig durch
beide Spulen (53a, 53b), so wirkt nach dem elektromotorischen
Prinzip eine Kraft 90° zum Wickelsinn der Spule (53a, 53b).
Diese Kraft F wird auf die Kugeln (52a, 52b, 52c, 52d) der
Lager übertragen. Dabei wird nach dem Reibrollprinzip die
Deckplatte (51) relativ zur Basisplatte (50) bewegt und zwar
mit dem doppelten Weg den die Spulen (53a, 53b) ausführen.
Auch bei diesem Tisch bleibt der besondere Vorteil des Tisches,
welcher in den Fig. 4a-d dargestellt ist, erhalten. Der
zentrale Bereich (57) bleibt bei allen Bewegungen des Tisches
im erlaubten Bereich frei und kann für Beleuchtungs- und/oder
Beobachtungszwecke verwendet werden. Dies ist insbesondere dann
wichtig, wenn dieser Tisch an einem Mikroskop- verwendet wird.
Auch der zweidimensionale Linearantrieb in Fig. 4a-4d kann mit
dem in Fig. 5a und 5b gezeigten übersetzenden Rollkugellager
kombiniert werden. Die Käfige der Rollkugellager müssen hierbei
fest mit den vier kreuzweise angeordneten Spulen (48a-48d)
verbunden werden. Der obere Weicheisenrückschluß, bestehend aus
der oberen Teilplatte (44′), muß über einen Luftspalt von den
Statoren (47a-47d) getrennt und in einer Deckplatte integriert
werden. Die untere Weicheisen-Teilplatte (44′′), die Seiten
teile (44a-44d) und die Statoren (47a-47d) werden in einer
Basisplatte integriert. Zwischen den-Basis- und der Deckplatte
laufen auf geschliffenen Flächen die Rollkugellager, die
gleichzeitig über den magnetischen Rückschluß des Linearmotors
magnetisch vorgespannt sind. Der Vorteil dieser Kombination ist
die Möglichkeit der Ausregelung von Drehbewegungen um die Z-
Achse.
In der Fig. 6 ist eine alternative Anordnung der Spulen (63a,
63b, 63c, 63d) zu dem in den Fig. 5a-c dargestellten
Beispielen.
Hier gibt es vier Spulen (63a, 63b, 63c, 63d), je Achse zwei,
die elektrisch hintereinander geschaltet sind und wie im
vorherigen Beispiel auf einer gemeinsamen Weicheisenplatte (in
der Figur nicht dargestellt, gestaltet wie in Fig. 5c
dargestellt) befestigt. Die Dauermagnete (64a, 64b, 64c, 64d)
sind hier länger ausgeführt und wieder über eine Weicheisen
platte (65) miteinander verkoppelt. Hierdurch sind die Hebel
verhältnisse für die Kraftwirkung entgegen einer Drehung um die
Z-Achse günstiger.
Ansonsten ist auch hier die Basisplatte (60) zur Deckplatte (in
der Figur nicht sichtbar) magnetisch vorgespannt, wobei der
Abstand zwischen den beiden Platten durch Rollkugellager (62a,
62b, 62c, 62d) definiert wird. Der freie Durchlaß (67) durch
die beiden Platten ist hier größer als in Fig. 5a.
In den Fig. 7a und 7b ist ein X-Y Tisch (75) mit einem
zweidimensionalen Linearantrieb gezeigt, welcher Luftlager
besitzt.
Der Tisch (75) besitzt zwei Platten (70, 71), wobei die Deck
platte (71) relativ zur Basisplatte (70) in einer Ebene (X-Y)
verstellt werden kann. Die Deckplatte (71) besitzt eine untere
Platte (71a) aus Weicheisen, auf welcher vier Spulen (72a, 72b,
72c, 72d) kreuzförmig angeordnet sind. Die Windungen der Spulen
(72a, 72b, 72c, 72d) sind dabei zu einer Ebene durch den
Tischmittelpunkt (73) orientiert. Die untere Platte (71a)
besitzt an den äußeren Enden der Spulen (72a, 72b, 72c, 72d)
Stege (71a′, 71b′, 71c′, 71d′), mittels derer die untere Platte
(71a) mit der oberen Platte (71b) der Deckplatte (71) verbunden
ist. Oberhalb und unterhalb der Spulen (72a, 72b, 72c, 72d) ist
jeweils ein Dauermagnet (74a, 74a′; 74b′, 74b′; 74c, 74c′; 74d,
74d′, wobei 74a′ bis 74d′in der Fig. 7a nicht sichtbar sind)
angeordnet, wobei diese jeweils an der oberen und unteren
Platte (70a, 70b) der Basisplatte (70) über einen Weicheisen
schluß (70c) befestigt sind. Die obere Platte (71b) der Deck
platte (71) sowie die obere und untere Platte (70a, 70b) der
Basisplatte (70) bestehen aus einem nichtmagnetischem Material.
Der Weicheisenschluß (70c) besteht aus zwei quadratischen
Rahmen, in deren Eckpunkten sich die Verlängerungen bzw. Pole
(76a, 76b; 76b, 76b′; 76c, 76c′; 76d, 76d′, wobei 76a′, 76b′,
und 76d′ in den Figuren nicht sichtbar sind) befinden, die den
magnetischen Kreis über die Platte (71a) schließen.
Die Basisplatte (70) besitzt an den seitlichen Ecken Anschlag
körper (70ca, 70cb, 70cc, 70cd), welche die Bewegung des
Tisches (75) im erlaubten Bereich (δx, δy) begrenzen. Die
Deckplatte (71) kann somit relativ zur Basisplatte (70) um 2xδx
bzw. δy bewegt werden. Die Weicheisenplatte (70c) der Basis
platte (70) besitzt in den Ecken vier kreuzförmig angeordnete
Verlängerungen (76a, 76a′; 76b, 76b′; 76c, 76c′;76d, 76d′,
wobei 76a′, 76b′, und 76d′ in den Figuren nicht sichtbar sind).
In den vier Polen bzw. Verlängerungen (76a, 76a′; 76b, 76b′;
76c, 76c′; 76d, 76d′, wobei 76a′, 76b′, und 76d′ in den Figuren
nicht sichtbar sind) befinden sich jeweils zentral ein runder
Luftkanal (76a′′, 76a′′′; 76b′′, 76b′′′; 76c′′, 76c′′′; 76d′′,
76d′′′, wobei 76a′′′, 76b′′′, 76d′′′ in den Figuren nicht
sichtbar sind). Durch diese Luftkanäle (76a′′, 76a′′′; 76b′′,
76b′′′; 76c′′, 76c′′′; 76d′′, 76d′′′, wobei 76a′′′, 76b′′′,
76d′′′ in den Figuren nicht sichtbar sind) kann Luft auf die
Weicheisenplatte (70c) geleitet werden, so daß die Deckplatte
(71) auf der Basisplatte (70) durch ein Luftpolster schwimmend
aufliegt (Luftlager).
In der Mitte des Tisches (75) befindet sich eine zentrale,
durchgehende Öffnung (77) um den Tischmittelpunkt (73).
In den Fig. 8a, 8b, 8c und 8d ist nun ein Tisch (80)
dargestellt, bei welchem die Basisplatte (81) zur Mittenplatte
(82) und die Mittelplatte (82) zur Deckplatte (83) über
Rollkugeln (84a, 84b, 84c, 84d) gegeneinander in jeweils einer
Achse (X, bzw. Y) verstellt werden können, wobei durch einen
Linearantrieb eine magnetische Lagervorspannung erfolgt. Im
Prinzip ist der Tisch (80) aufgebaut wie der in Fig. 1a, 1b, 1c
dargestellte Tisch.
Der wesentliche Unterschied dieses Tisches (80) zu den in den
vorhergehenden Figuren dargestellten X-Y-Tischen ist zum einen
die große freie Mittenöffnung (86) und zum anderen die
Verwendung zweier Linearmotoren für jede Bewegungsachse
(X, bzw. Y). Die beiden Linearmotoren pro Achse haben dabei
parallel bzw. hintereinander geschaltete Spulen (87a, 87b; 87c,
87d) und wirken wie ein einziger Linearmotor, wobei die
resultierende Verstellkraft im Zentrum der bewegten Platte (82,
83) angreift bzw. der Verstellkraftvektor in einer Achse ist
parallel zur Bewegungsachse angeordnet und auf die Mitte der
Seitenfläche wirkt, welche senkrecht zur Bewegungsachse
verläuft.
Durch die Aufteilung des Linearantriebs ist es möglich, die
Dimensionen des Tisches (80) klein zu halten und trotzdem, eine
große Mittenöffnung (86) zu erhalten.
Die Basisplatte (81) besteht aus einem Grundkörper aus nicht
magnetischem Material. Auf der Oberfläche (81b) der Basisplatte
(81) und der Oberfläche (82a) der Mittenplatte (82) ist seit
lich in Bewegungsachsenrichtung jeweils eine V-förmige Schiene
(84a′, 84b′; 84c′, 84d′) angeordnet. Neben diesen Schienen
(84a′, 84b′; 84c′, 84d′) sind mit einem gewissen Abstand
jeweils zwei Permanentmagnete (88a, 88a′; 88b, 88b′; 88c, 88c′;
88d, 88d′) auf einer, sie verbindenden Weicheisenplatte (88a′′,
88b′′, 88c′′, 88d′′) angeordnet. Zwischen den jeweiligen beiden
Magnetpaaren (88a, 88a′; 88b, 88b′; 88c, 88c′; 88d, 88d′) auf
ihren jeweiligen Weicheisenplatten (88a′′; 88b′′, 88c′′, 88d′′)
befindet sich eine Öffnung (86a, 86b). Die Form der Öffnung
(86a) ist dabei so gewählt, daß ihre kleine Achse auf der Y-
Achse mit der kreisförmigen Öffnung (86) in der Basisplatte
(81) übereinstimmt. In der X-Achse ist die ellipsenförmige
Öffnung (86a) der Mittelplatte (82) jeweils um den halben
Verstellweg δ/2 auf dieser Achse vergrößert, so daß im
maximalen Bewegungsbereich auf der X-Achse die kreisförmige
Öffnung (86) in der Basisplatte (81) nicht abgeschattet wird.
Die beiden Spulen (87a, 87b; 87c, 87d) jeder Achse sind so
gewickelt, daß ihre Windungen in Bewegungsrichtung jeweils ein
möglichst geringes Volumen besitzen (d. h. möglichst kreisförmig
gestaltet sind), während die Windungen der Spulen (87a, 87b,
87c, 87d) quer zur Bewegungsrichtung möglichst nebeneinander
angeordnet sind.
In Ausgangsstellung (siehe Fig. 8a) liegen die Spulen (87a,
87b, 87c, 87d) über der Mitte der Magnete (88a, 88a′; 88b,
88b′; 88c, 88c′; 88d, 88d′) . Die Magnete (88a, 88a′; 88b,
88b′; 88c, 88c′; 88d, 88d′) sind in ihrer Breite so
dimensioniert, daß sie die parallel angeordneten Windungen der
Spulen (87a, 87b, 87c, 87d) möglichst vollständig erfassen. In
ihrer Länge sind die Magnete (88a, 88a′; 88b, 88b′; 88c,
88c′; 88d, 88d′) so dimensioniert, daß sie über den gesamten
Verstellweg immer noch oberhalb bzw. unterhalb der Spulen (87a,
87b, 87c, 87d) liegen bleiben.
Die beiden Spulen (87a, 87b) der unteren parallel bzw.
hintereinander geschalteten Linearmotoren sind jeweils auf
einer Weicheisenplatte (87a′, 87b′) fest angeordnet. Diese
Weicheisenplatten (87a′, 87b′) sind in der Bewegungsachse so
dimensioniert, daß sie auch bei maximalem Verstellweg
(2 × δx/² bzw. 2 × δy/²) immer noch vollständig oberhalb der
Magnete (88a, 88b) zu liegen kommen. Zwischen den Spulen (87a,
87b) und den ihren gegenüberliegenden Magneten (88a, 88a′; 88b,
88b′) ist ein Luftspalt, dessen Abstand sich beim maximalen
Verstellweg nicht ändert (im Rahmen der Fertigungstoleranzen).
Seitlich der Spulen (87a, 87b) sind außen zwei Schienen (84a′′,
84b′′) für die Rollkugeln (84a, 84b) angebracht. Während die
eine Schiene (84b′′) als V-Schiene ausgebildet ist und eine
Zwangsführung der Rollkugeln (84b) bewirkt, erlaubt die andere
Schiene (84a′′) eine leichte seitliche Bewegung der Rollkugeln
(84a), so daß Herstellungstoleranzen bei der Fertigung der
Kugellager nicht zu deren Verkanten führen kann.
Auf der Oberseite (82a) der Mittelplatte (82) ist diese
entsprechend der Oberseite (81a) der Basisplatte (81) für den
oberen Linearantrieb und die dort angebrachten Kugellager
führungen ausgestaltet. Lediglich die Mittenöffnung (86) ist
kreisrund und hat den in der Fig. 8a dargestellten Durchmesser
(86′). DieUnterseite (83a) der Deckplatte (83) ist
entsprechend der Unterseite (82b) der Mittelplatte (82)
gestaltet. Die Mittenöffnung (86b) ist so gestaltet, daß ihre
Ausdehnung in der X-Achse mit dem Kreisdurchmesser der Öffnung
(86) in der Basisplatte (81) übereinstimmt. Auf der Y-Achse ist
die Öffnung (86b) um 2 × δy vergrößert.
Die Öffnung (86a, 86b) bestehen somit aus zwei halbkreis
förmigen Öffnungen, welche dazwischen jeweils zwei gerade
Stücke der Länge 2 × δx bzw. 2 × δy aufweisen.
Alle hier gezeigten Varianten besitzen Linearmotoren ohne
Kommutierung. Diese Motoren zeichnen sich in Verbindung mit
einem linearen Leistungsverstärker durch eine quasi unendliche
Auflösung aus. Die Positioniergenauigkeit hängt nur vom
verwendeten Wegmeßsystem ab. Der Bewegungsbereich dieser
Motoren ist allerdings beschränkt. Selbstverständlich können
bei den Varianten mit linearen Rollen- bzw. Kugellagern auch
Linearmotoren mit Bürsten oder elektronischer Kommutierung
eingesetzt werden. Der mögliche Verstellweg wäre dann nicht
mehr so eng begrenzt.
Claims (15)
1. Linear verstellbarer Präzisionstisch zur Verstellung einer
Deckplatte relativ zu einer Basisplatte für die Bewegung
in zumindest einer Koordinatenachse mittels mindestens
eines Linearantriebs, wobei der Linearantrieb zumindest
einen Magneten und zumindest eine Spule aufweist, dadurch
gekennzeichnet, daß auf der Unterseite der Deckplatte und
der Oberseite der Basisplatte jeweils der Magnet oder die
Spule des Linearantriebs so angebracht ist, daß dieser
seine resultierende Kraft zentral auf die zu bewegende
Platte ausübt.
2. Linear verstellbarer Präzisionstisch nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die Feldlinien von Magnet und
Spule im wesentlichen senkrecht bzw. parallel zur
Bewegungsachse des linear verstellbarer Präzisionstisches
orientiert sind.
3. Linear verstellbarer Präzisionstisch nach Anspruch 1 oder
2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den beiden Platten
eine magnetisch vorgespannte Führung angebracht ist.
4. Linear verstellbarer Präzisionstisch nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, daß die magnetisch vorgespannte
Führung zwei in der Bewegungsrichtung des Präzisions
tisches orientierte Kugellager aufweist.
5. Linear verstellbarer Präzisionstisch nach Anspruch 3 oder
4, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetische Vorspannung
durch die Magnete des Linearantriebs und ein mit der Spule
des Linearantriebs verbundenes Joch erfolgt.
6. Linear verstellbarer Präzisionstisch nach einem der
Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß eine
zusätzliche Mittelplatte vorhanden ist, daß an der Deck
platte und an der Mittelplatte alternativ mindestens ein
Magnet oder eine Spule eines Linearantriebs angebracht ist
und daß an der Mittelplatte und an der Basisplatte
alternativ entweder der Magnet oder die Spule des
Linearantriebs angebracht ist.
7. Linear verstellbarer Präzisionstisch nach einem der
Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Endanschlag
an einer der Platten angebracht ist.
8. Linear verstellbarer Präzisionstisch nach einem der
Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulen
einer Bewegungsachse parallel oder seriell zusammen
geschaltet sind.
9. Linear verstellbarer Präzisionstisch nach einem der
Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß in dem
Präzisionstisch eine durchgängige Mittenöffnung vorhanden
ist.
10. Linear verstellbarer Präzisionstisch nach einem der
Ansprüche 1-9, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den
beiden relativ zueinander bewegten Platten eine Über
setzung angebracht ist, wobei die Rollen des linearen
Kugellagers in einem Rollenkäfig gefaßt und gelagert sind,
wobei die Kraft des Linearmotors auf die Rollenkäfige
wirkt.
11. Linear verstellbarer Präzisionstisch nach einem der
Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulen des
Linearantriebs in beiden Achsen der X-Y-Ebene beweglich
sind.
12. Linear verstellbarer Präzisionstisch nach einem der
Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß die Deckplatte
auf der Basisplatte direkt über mindestens drei Rollkugeln
aufliegend ist.
13. Linear verstellbarer Präzisionstisch nach einem der
Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß zur Lagerung
der Deckplatte auf der Basisplatte Luftlager zwischen den
beiden Platte angebracht sind.
14. Linear verstellbarer Präzisionstisch nach einem der
Ansprüche 1-13, dadurch gekennzeichnet, daß der Linear
antrieb für eine Achse aus zwei sich gegenüber liegenden,
getrennt ansteuerbaren Antrieben aufgebaut ist.
15. Linear verstellbarer Präzisionstisch nach Anspruch 14,
dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den sich zueinander
bewegenden Platten ein Kugellager angebracht ist.
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