DE202008017717U1 - Vorrichtung zum Schweben, Transportieren und/oder Positionieren von mit Gütern beladenen Carriern - Google Patents
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Abstract
Description
- Die Vorrichtung betrifft eine Vorrichtung zum Schweben, Transportieren und/oder Positionieren, wobei der die Güter tragende Carrier
19 berührungslos, durch mindestens zwei aktive Magnetlager magnetisch gelagert und vorzugsweise von mindestens einer Antriebseinheit angetrieben wird. - Immer mehr aktive Systeme finden den Weg in die industrielle Anwendung. Unter aktivem System versteht man Systeme mit mindestens einer Sensoreinheit inclusive Auswerteelektronik, mit mindestens einer analogen oder digitalen Regelungs- bzw. Steuerungseinheit zur Weiterverarbeitung der Sensorsignale, mit mindestens einem Leistungselektronikteil zur Bereitstellung der geforderten Kräfte und Bewegungen. Diese aktiven Systeme kommen heutzutage bei unterschiedlichen mechatronischen oder adaptiven Fragestellungen zum Einsatz.
- Typische aktive Systeme sind digital geregelte, aktive magnetische Lagerungen. Je nach Art der Anwendung schwebt dabei eine rotierende Welle oder ein sich linear beweglicher Carrier berührungslos in einem Magnetfeld.
- Aus der Patentanmeldung
DE 10 2005 032 674 A1 ist allgemein bekannt, dass durch die Integration der Leistungselektronik in das Lagergehäuse eine einfache Verkabelung zwischen dem Verstärker und der Aktuatorik möglich ist, wodurch die Störanfälligkeit des Magnetlagers verringert wird. - Ferner ist aus der Patentanmeldung
DE 10 2005 032 675 A1 bekannt, dass durch eine weitere Integration der Sensorik sowie der Steuerung-/Regelungseinrichtung in das Lagergehäuse eine kompakte aktive Magnetlagereinheit geschaffen wird. Die Integration der Sensorik verschafft aufgrund der möglichen Kollokation zwischen Messstelle und Kraftangriffspunkt den zusätzlichen Vorteil einer vereinfachten Reglerauslegung. - Im Allgemeinen besitzen aktive Systeme, so auch aktive, digital geregelte Magnetlager, eine Schnittstelle zur Programmierung der Steuerung- und Regelungseinrichtung sowie zur Einstellung der Steuerungs- und Regelparameter.
- Kommen die aktiven Magnetlager im Vakuum zum Einsatz, benötigt jede Einheit heutzutage eine eigene Vakuumdurchführung sowohl für die Spannungsversorgung als auch für den Datenaustausch. Dieser Verkabelungs- und Kostenaufwand steigt deutlich mit der Anzahl von Magnetlagereinheiten, insbesondere bei Anwendungen im Vakuum. Die Anzahl kann von wenigen Magnetlagergehäusen (mindestens zwei) bis zu einigen 100 reichen, wie es beispielsweise bei der Anwendung eines partikelfreien Transportsystems aus der Patentanmeldung
DE 10 2004 037 622 A1 bekannt ist. - Noch aufwändiger gestaltet sich die Verkabelung und Vakuumdurchführung bei nicht komplett integrierten, aktiven Magnetlagern, da hier eine zusätzliche Verkabelung zwischen den einzelnen Lagerungsgehäusen und der jeweils zugehörigen Elektronik erfolgen muss.
- Typische Kabellängen zwischen Lagergehäuse und einer externen, nicht integrierten, Elektronik können leicht Längen von mehreren Metern erreichen. Neben der großen Anzahl an Kabeldurchführungen ergibt sich zusätzlich eine größere Empfindlichkeit gegenüber Störeinkopplungen. Beim Betrieb der Kathoden zum Beschichten in Vakuumkammern mit Anschlussleistungen von einigen kW, insbesondere wenn diese mit pulsierenden Strömen betrieben werden, kann es beispielsweise zu starken Störeinkopplungen auf die Sensorsignale kommen, die zu einem starken Rauschniveau führen und die Sensorauflösung nachhaltig reduzieren, im schlimmsten Fall den Sensor sogar zerstören können.
- Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zu schaffen, die eine (beliebige) große Anzahl von aktiven Systemen/aktiven Magnetlagern mit vollständig integrierter Elektronik, Sensorik und Aktuatorik derart miteinander verbindet, dass sich eine einfache Verkabelung mit einer geringen Anzahl an Vakuumdurchführungen und möglichst kurzen Kabellängen ergibt. Darüber hinaus wird der Magnetlagerverbund nahezu beliebig und einfach erweiterbar sowie einzelne Einheiten werden einfach austauschbar.
- Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Weitere Merkmale und Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen in Verbindung mit der Beschreibung.
- Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst mindestens zwei aktive magnetische Lagereinheiten, mit einem in diesen Lagereinheiten gelagerten linear beweglichen Carrier, wobei die komplette Elektronik, bestehend aus Regel-, Steuerungs- und Leistungselektronik, Sensorik und Aktuatorik oder nur Teile davon in einem Lagergehäuse integriert sind und die einzelnen Lagergehäuse der magnetischen Lagereinheiten mit einer Übertragungsvorrichtung miteinander verbunden sind, welche in Form eines seriellen und/oder parallelen Bussystems zur Energieversorgung sowie zum Datenaustausch ausgeführt sind, gemäß Anspruch 1.
- Dabei kann dieses Bussystem zur Daten-, Signal- und Energieübertragung auch kabellos ausgeführt sein. Das Bussystem versorgt die einzelnen Lagereinheiten mit Energie (Spannungsversorgung) und ermöglicht einen Signal- und Datenaustausch. Besonders vorteilhaft ist der Einsatz von kompakten, aktiven Magnetlagern mit integrierter Elektronik, Sensorik und Aktuatorik mit Verkabelung in Form einer BUS-Struktur im (Ultra-)Hochvakuum. Insbesondere bei der Ausführung der magnetischen Lagerung in Form eines berührungslosen Transportsystems mit vielen Lagerstellen (siehe
4 und5 ) ist die beschriebene Erfindung sehr vorteilhaft und effizient. Durch die Hintereinanderschaltung innerhalb der Vakuumkammer lassen sich die elektrischen Vakuumdurchführungen, die Kabellängen sowie die Adernanzahl auf ein Minimum reduzieren. Im (Ultra)-Hochvakuum ist dies wegen der von der Oberflächengröße abhängigen Ausgasung aus dem Kabelisolationsmaterial von besonderer Bedeutung. - Zusätzlich besitzt die Erfindung eine Daten-BUS-Struktur in serieller und/oder paralleler Variante mit der Möglichkeit der individuellen Kommunikation mit einer einzelnen Lagereinheit zur Programmierung, Parametrisierung sowie zum Datenaustausch für Überwachung, Fehlererkennung und Diagnose.
- Diese Art der Verkabelung der einzelnen Lagereinheiten kommt mit einer einzigen (minimal 2-adrigen) Verkabelung zwischen den Lagereinheiten sowie einer einzigen elektrischen Kammerdurchführung aus. Dies stellt eine erhebliche Reduktion des Verkabelungs- sowie des Kostenaufwandes dar.
- Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführung wird analog zu den aktiven Magnetlagern auch die Antriebseinheit(en) des Transportsystems alle Elektronik, Sensorik und Antriebsaktuatorik in das Gehäuse integriert und über eine, vorteilhaft die gleiche BUS-Struktur mit Energie, Signalen und Daten versorgt.
- Weiterer Vorteil dieser Ausführung ist, dass durch die Integration der Elektronik in die einzelnen Antriebseinheiten die übergeordnete Positionsregelung mit dem entsprechenden Datenfenster für alle in der Anlage befindlichen Carrier eingespart werden kann. Hierzu wird die Positionssteuerung in der zentralen Steuereinheit durch eine dezentrale Position-Geschwindigkeit-Regelung in jeder Antriebseinheit ersetzt, wodurch die zentrale Steuereinheit entfallen kann.
- Werden die Steuersignale über ein Bussystem übertragen, kann eine große Anzahl von Lagerstellen mit nur einer Kammerdurchführung realisiert werden. Weiterhin von Vorteil ist, dass diese Art der Kabelführung, gegen Störeinstrahlung unempfindlichere Steuer- und Leistungssignale übertragen. Die rauschempfindlichen Sensorsignale können im geschlossenen metallischen und somit elektrisch abgeschirmten Gehäuse geführt.
- Ein weiterer Vorteil ist, dass die aktiven Magnetlager- sowie Antriebseinheiten mit integrierter Elektronik, Sensorik und Aktuatorik vollständig dezentral funktionsfähig sind und keine übergeordnete, zentrale Steuereinheit zur primären, regulären Funktion benötigen.
- Aus den genannten Gründen kann ein aktives System mit in einem vakuumdichten Gehäuse integrierter Elektronik, Sensorik und Aktuatorik, welches innerhalb einer Vakuumkammer mittels Busstruktur verkabelt ist, effizienter, kostengünstiger und störsicherer realisiert werden.
- Die Erfindung wird im nachfolgenden Text mit Bezug auf die Zeichnungen näher erläutert, in denen Beispiele bevorzugter Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung schematisch dargestellt sind. In den Zeichnungen zeigen:
-
1 : Stand der Technik; -
2 : Ausführung 1 mit vielen (n)-Magnetlagereinheiten in einer Vakuumkammer mit Verbindung der einzelnen Einheiten zur Energie-, Signal- und Datenübertragung in Form eines Bus-Systems; -
3 : weitere Ausführung mit vielen (n)-Magnetlagereinheiten mit Verbindung der einzelnen Einheiten zur Energie-, Signal- und Datenübertragung in Form eines drahtlosen Netzwerks; -
4 : partikelfreies Transportsystem mit Magnetlagern Ausführung 1; und -
5 : partikelfreies Transportsystem mit Magnetlagern Ausführung 2. -
1 zeigt den Stand der Technik. Zur berührungslosen Lagerung und/oder zum partikelfreien Transportieren und Positionieren kommen im Vakuum und/oder Reinraum neben Luftlagern auch aktive Magnetlager (17 ) zum Einsatz. Hierbei besteht ein Magnetlagergehäuse in der Regel aus dem elektromagnetischen Aktuator (3 ) und einem oder mehreren Sensor(en) (4 ). Zumindest eine der erforderlichen Elektroniken (12 ) zur Sensorauswertung, zur Abarbeitung des Regelalgorithmus oder zur Bereitstellung der entsprechenden Leistungsströme befindet sich außerhalb des Lagergehäuses. Ferner befindet sich eine zentrale Spannungsversorgung (11 ) sowie eine Steuereinheit (10 ) außerhalb der Vakuumkammer (1 ) bzw. des Prozessbereichs. Eine entsprechende Verkabelung (7 ,8 ,9 ) und die nötigen elektrischen Durchführungen (5 ,6 ) sind in1 skizziert. Jede Magnetlagereinheit benötigt zunächst eine vakuumdichte, elektrische Gehäusedurchführung (5 ) für den Leistungs- und für den Signalteil, da üblicherweise hohe Anforderungen an die Reinheit und Desorptionsrate gestellt werden und ein Austreten beziehungsweise Ausgasen von Partikeln aus Elektronikkomponenten nicht toleriert wird. Weiterhin kommen für jede Magnetlagereinheit vakuumdichte, elektrische Kammerdurchführungen (6 ) mit entsprechenden Vorrichtungen zur Übertragung von Energie, Signalen und Daten (7 ,8 ,9 ) zu den entsprechenden Schaltschränken hinzu. - Die in
2 vereinfacht dargestellte erfindungsgemäße Vorrichtung zeigt den deutlich reduzierten Verkabelungsaufwand, die reduzierte Kabellänge und die reduzierte Anzahl an elektrischen Kammerdurchführungen. Erreicht wird dies zum einen durch die Integration der kompletten Elektronik (12 ) – Leistungselektronik, Sensorik sowie Auswertelektronik und Regel- sowie Steuerungselektronik – in die Gehäuse der Magnetlagereinheiten (18 ) und zum anderen durch eine geschickte, möglichst kurze Vorrichtung zur Übertragung von Energie, Signalen und Daten (13 ,14 ) innerhalb der Vakuumkammer, so dass man mit einer einzigen elektrischen Kammerdurchführung für den Leistungs- als auch für den Signal- sowie Datenteil auskommt. Hierzu werden die Magnetlagereinheiten mittels einer Busstruktur miteinander verbunden. Alle Magnetlagereinheiten arbeiten völlig autark und benötigen für den regulären Betrieb außer der externen Spannungsversorgung (13 ) keine weiteren Daten oder Signale. Vorteil dabei ist unter anderem, dass die rauschempfindlichen Sensorsignale im geschlossenen, metallischen Gehäuse geführt werden können und keine gegen Störeinstrahlung empfindliche Steuer- und Leistungssignale über mehrere Meter übertragen werden müssen. Über einen zweiten, digitalen Bus (in Form eines Feldbuses, z. B. CAN-Bus) können optional Daten und/oder Signale ausgetauscht werden. - Die in
3 abgebildete beispielhafte, alternative Ausführung zeigt eine Vorrichtung zur Übertragung von Energie, Signalen und Daten für eine Anwendung mit n-Magnetlagereinheiten in einer nicht vakuumtauglichen Variante. Durch die Integration der gesamten Elektronik in die Magnetlagergehäuse (15 ) bedarf es einer einzigen Versorgungsleitung (in der Regel 2-adrig) zum regulären Betrieb der Anlage. Der Datenaustausch zur Parametrisierung, Einstellung, Programmierung, Überwachung oder Fehlerdiagnose erfolgt in der dargestellten Ausführung vorteilhaft mit einer drahtlosen Übertragung (z. B. mittels der Blue-Tooth-Technologie). -
4 zeigt eine Anwendung mit vielen aktiven Magnetlagereinheiten (18 ), in welchen die komplette Elektronik bestehend aus Sensor-, Regel-, Steuerungs- und Leistungselektronik, integriert ist, als berührungsloses Transportsystem vorzugsweise im Vakuum (Vakuumkammer ist nicht abgebildet). Dabei schweben ein oder mehrere zu befördernde beziehungsweise zu positionierende Güter (20 ) auf einem oder mehreren Carriern (19 ) berührungslos durch eine Anlage (z. B. Beschichtungsanlage). Die vorteilhafte Ausführung der Vorrichtung (13 ,14 ) zur Übertragung von Energie, Signalen und Daten, welche die einzelnen Einheiten miteinander verbindet, ist schematisch dargestellt. -
5 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Transport- und Positioniersystems mit vielen, aktiven Magnetlagereinheiten. Vorteilhaft können neben den Magnetlagereinheiten (18 ) mit integrierter Elektronik auch Antriebseinheiten (21 ) mit integrierter Elektronik in das Verdrahtungskonzept mit eingebunden werden. -
- 1
- Vakuumkammer
- 2
- Magnetlagergehäuse-vakuumdicht
- 3
- Aktuator
- 4
- Sensor
- 5
- elektrische Gehäusedurchführung
- 6
- elektrische Kammerdurchführung
- 7
- Vorrichtung zur Energieübertragung
- 8
- Vorrichtung zur Datenübertragung
- 9
- Vorrichtung zur Übertragung der Steuersignale und -daten
- 10
- Zentrale Steuereinheit
- 11
- Zentrale Energie- bzw. Spannungsversorgung
- 12
- Sensor-, Regel-, Steuerungselektronik und Leistungselektronik
- 13
- Vorichtung zur Energieübertragung mittels Busstruktur
- 14
- Vorrichtung zur Signal- und Datenübertragung mittes Busstruktur
- 15
- Magnetlagergehäuse
- 16
- drahtlose Schnittstelle
- 17
- Magnetlagereinheiten ohne integrierte Elektronik
- 18
- Magnetlagereihneiten mit integrierter Elektroniik
- 19
- Carrier
- 20
- zu beförderndes Gut
- 21
- Antriebseinheit mit integrierter Elektronik
- ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
- Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
- Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 102005032674 A1 [0004]
- - DE 102005032675 A1 [0005]
- - DE 102004037622 A1 [0007]
Claims (13)
- Vorrichtung zum Schweben, Transportieren und/oder Positionieren, wobei der die Güter (
20 ) tragende Carrier (19 ) berührungslos, durch mindestens zwei aktive Magnetlager magnetisch gelagert und vorzugsweise von mindestens einer Antriebseinheit (21 ) angetrieben wird, dadurch gekennzeichnet, dass die komplette Elektronik (12 ), bestehend aus Regel-, Steuer- und Leistungselektronik, Sensorik (4 ) sowie Aktuatorik (3 ) zur Funktion der aktiven Magnetlager unmittelbar im Lagergehäuse (2 ) untergebracht ist und die Übertragung der Energie, Signale sowie Daten zu beziehungsweise von den einzelnen Lagerstellen in Form einer BUS-Topologie (13 ,14 ) ausgeführt ist. - Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektronik (
12 ) und Sensorik (4 ) oder Elektronik (12 ) und Aktuatorik (3 ) im Lagergehäuse (2 ) untergebracht ist und die Signal- und/oder Daten- und/oder Energieversorgungsübertragungsvorrichtungen der einzelnen Lagerstellen in Form einer BUS-Topologie (13 ,14 ) ausgeführt sind. - Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die aktiven Magnetlager eine rotierende Welle lagern anstelle des linear zu transportierenden Guts (
20 ) und die Antriebseinheit (21 ) in diesem Fall für die Drehung der Welle zuständig ist. - Vorrichtung nach einem der einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung sich innerhalb einer Vakuumkammer (
1 ) und/oder im Reinraum befindet. - Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die BUS-Struktur (
14 ) zum Datenaustausch als Feldbus in Form eines CAN-Bus (Controller Area Network), LAN-Bus (Local Interconnect Network), SERCROS (SErial Realtime COmmunication System), Ethernet oder Profibus (Process Field Bus) ausgeführt ist. - Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die BUS-Struktur zum Datenaustausch als kabellose Verbindung in Form einer Funk-, Blue-Tooth-, WiFi-, WLAN- oder Infrarotverbindung ausgeführt ist.
- Vorrichtung nach einem der vorangehenden, dadurch gekennzeichnet, dass eine Integration der Elektronik zur Antriebssteuerung und/oder Antriebsregelung in das Magnetlagergehäuse (
2 ) erfolgt. - Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Integration der Antriebskomponenten – beispielsweise der Stator eines Linearmotors – in das Magnetlagergehäuse erfolgt.
- Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Integration der Antriebssensorik inklusive der benötigten Elektronik in das Magnetlagergehäuse (
2 ) erfolgt. - Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass alle Komponenten der Antriebseinheit (Antriebssensorik, -elektronik, -aktuatorik und Regel- sowie Steuerungselektronik) in ein separates, vorzugsweise vakuumtaugliches Gehäuse, ähnlich den Komponenten der aktiven Magnetlagerung, integriert sind.
- Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine übergeordnete zentrale Steuereinheit (
10 ) nicht vorgesehen ist. - Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass für die Positionsregelung in Verfahrrichtung die Position-Zeit-Vorgabe der zentralen Steuereinheit ersetzt wird durch eine dezentrale Position-Geschwindigkeit-Vorgabe der einzelnen integrierten aktiven (Antriebs-)Systeme.
- Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass diese innerhalb eines Transportsystems zur Beschichtung von Substraten, Gläsern, Wafern zum Einsatz kommt.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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R207 | Utility model specification |
Effective date: 20101028 |
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R150 | Utility model maintained after payment of first maintenance fee after three years | ||
R150 | Utility model maintained after payment of first maintenance fee after three years |
Effective date: 20111025 |
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R082 | Change of representative |
Representative=s name: PATENTANWAELTE LIPPERT, STACHOW & PARTNER, DE |
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R081 | Change of applicant/patentee |
Owner name: MECATRONIX AG, DE Free format text: FORMER OWNER: MECATRONIX GMBH, 64291 DARMSTADT, DE Effective date: 20130703 Owner name: APPLIED MATERIALS, INC. (N.D.GES.D. STAATES DE, US Free format text: FORMER OWNER: MECATRONIX GMBH, 64291 DARMSTADT, DE Effective date: 20130703 |
|
R082 | Change of representative |
Representative=s name: ZIMMERMANN & PARTNER PATENTANWAELTE MBB, DE Effective date: 20130716 Representative=s name: ZIMMERMANN & PARTNER PATENTANWAELTE MBB, DE Effective date: 20130703 |
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R151 | Utility model maintained after payment of second maintenance fee after six years | ||
R151 | Utility model maintained after payment of second maintenance fee after six years |
Effective date: 20140611 |
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R152 | Utility model maintained after payment of third maintenance fee after eight years | ||
R081 | Change of applicant/patentee |
Owner name: APPLIED MATERIALS, INC. (N.D.GES.D. STAATES DE, US Free format text: FORMER OWNER: MECATRONIX AG, 64291 DARMSTADT, DE |
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R071 | Expiry of right |