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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Positionieren
von Objekten. In vielen technischen Gebieten besteht ein Bedarf
an hochdynamischen Präzisions-Positionierungen,
insbesondere von leichtgewichtigen Elementen. Dabei sollen diese
Elemente in mehreren (bis zu beispielsweise sechs) Dimensionen (x-Achse,
y-Achse, z-Achse, Rotation sowie zwei Kippachsen) bewegbar sein.
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So
wird beispielsweise in verschiedenen Anwendungen zur Bauteilpositionierung
in der Mikromontage oder Elektronik eine präzise mehrachsige Positionierung
benötigt.
Auch andere technische Bereiche benötigen eine präzise mehrachsige
Positionierung. So kann beispielsweise ein Verfahren einer Pipette
zur Flüssigkeitspipettierung
in verschiedene Näpfe
eine Titer-Platte oder das gezielte Positionieren einer elektrischen
Kontaktnadel wie auch das Positionieren einer Mikromanipulartornadel
unter einem Mikroskop durch eine dynamische und präzise mehrdimensionale
Positionierung erreicht werden. Weiterhin besteht ein Bedarf an
entsprechenden leichtgewichtigen und kostengünstigen Positionieranwendungen.
Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung nach
Anspruch 1 erreicht. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen sind
Gegenstand der Unteransprüche.
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Eine
erfindungsgemäße Vorrichtung
zum Positionieren von Objekten weist einen beweglichen Positionierungskörper auf
und wenigstens zwei unabhängig
voneinander steuerbare Antriebseinrichtungen zum Bewegen dieses
Positionierungskörpers.
Dabei weist jede Antriebseinrichtung wenigstens ein angetriebenes
Element auf, und zwischen wenigstens einem angetriebenen Element
und dem Positionierungskörper
ist wenigstens ein Kopplungs element zur Übertragung von Bewegungen von
dem angetriebenen Element auf den Positionierungskörper vorgesehen,
und dieses Kopplungselement ist dabei wenigstens mit dem Positionierungskörper oder
mit dem angetriebenen Element gelenkig bzw. schwenkbar verbunden.
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Durch
diese Vorgehensweise ist es möglich, eine
wenigstens zweidimensionale und bevorzugt wenigstens dreidimensionale
spielfreie Positionieranwendung zu realisieren, die beispielsweise
einen Magnetgreifer zur Sortierung kleiner Stahlkugeln auf eine
Fläche
in der Größenordnung
eines Quadratzentimeters realisieren kann. Dabei ist es bevorzugt auch
möglich,
die Kugeln auf der Fläche
mit einer Genauigkeit von weniger als 100 μm anzusteuern und aufzunehmen
und an anderer Stelle gezielt abzusetzen. Die Fahrtzeit von einem
Punkt zum nächsten
beträgt
dabei bevorzugt nur wenige Millisekunden, und die Zielposition kann
mit einer Präzision
von weniger als 100 μm
sicher angesteuert werden, beispielsweise auch besser als 30 μm.
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Daneben
wird – wie
unten genauer erläutert – eine Möglichkeit
zur Verfügung
gestellt, das Gesamtsystem preisgünstig und leicht auszuführen, so dass
es auch als Gesamtsystem beispielsweise an einem größeren Verfahrarm
eines Roboters als ergänzende
Feinpositionierungsstufe montiert werden kann, ohne dabei einen
größeren Gewichtsbeitrag
für den
Verfahrarm zu leisten.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
ist zwischen jedem angetriebenen Element und dem Positionierungskörper ein
Kopplungselement vorgesehen. Auf diese Weise wird die Bewegbarkeit
des Positionierungskörpers,
der selbst bevorzugt frei beweglich ist, weiter erhöht. Dabei
ist bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wenigstens ein Kopplungselement
sowohl mit dem Positionierungskörper als
auch mit dem angetriebenen Element gelenkig bzw. schwenkbar verbunden.
Dabei sind vorzugsweise unterschiedliche Schwenkachsen zwischen
dem Kopplungselement und dem angetriebenen Element vorgesehen.
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Bei
einer vorteilhaften Ausführungsform weist
die Vorrichtung wenigstens drei voneinander unabhängig steuerbare
Antriebseinrichtungen auf. Dabei stehen bevorzugt diese Antriebseinrichtungen jeweils über Kopplungselemente
mit dem Positionierungskörper
in Verbindung. Insgesamt richtet sich die Zahl der Antriebseinrichtungen
nach der Zahl der nötigen Freiheitsgrade.
Bevorzugt weist dabei wenigstens eine Antriebseinrichtung, und bevorzugt
alle Antriebseinrichtungen einen Piezomotor auf. Derartige Piezomotoren
sind als sehr kleine, hoch präzise
und hochdynamische Antriebe in besonderer Weise geeignet, um derartige
Positionieraufgaben zu lösen. Dabei
ergibt sich auch ein geringer Preis des Gesamtsystems, der auch
den Einsatz derartiger Positionieranwendungen im Massenmarkt ermöglicht.
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Bei
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist wenigstens
ein Kopplungselement wenigstens ein elastisches Gelenk auf. Unter
einem elastischen Gelenk wird dabei insbesondere ein solches Gelenk
verstanden, welches um eine bestimmte Schwenkachse biegbar ist.
Es wären
jedoch auch Gelenke denkbar, die etwa in der Art von Kugelgelenken
Bewegungen in mehreren Dimensionen zulassen.
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Vorzugsweise
ist wenigstens ein Kopplungselement als Doppelparallelogrammgelenk
ausgeführt.
Der Vorteil derartiger Doppelparallelogrammgelenke ist die Ausführung als
Festkörpergelenk, welches
aus einem Stück
spritzgusstechnisch gefertigt werden kann. Die eigentliche Gelenkfunktion
wird dabei von dünnen
Gelenkstellen übernommen,
während
die dicker ausgeführten
Verbindungsstücke möglichst
steif ausgelegt werden. Auf diese Weise erreicht man eine umkehrspielfreie
Kopplung zwischen angetriebenem Element und dem zu positionierenden
Zentralstück,
beziehungsweise dem Positionierkörper.
Die Verwendung von Festkörpergelenken
allgemein ermöglicht
auch die Fertigung der Gelenke und der – insbesondere von Piezomotoren – angetriebenen
Schlitten beziehungsweise Räder
aus einem einzigen Bauteil. Diese können damit kostengünstig zum
Beispiel spritzgusstechnisch hergestellt werden.
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Im
Falle der oben beschriebenen dreidimensionalen Kinematik erfolgt
bevorzugt die Bewegung durch drei Piezoantriebe, die sowohl rotatorisch
als auch linear ausgeführt
werden können.
Dabei werden diese drei Piezoantriebe bevorzugt über je einen Festkörper gelenkt
mit dem Positionierkörper
verbunden, wobei dieser Positionierkörper das eigentlich zu positionierende
Teil darstellt. Falls als Kopplungselemente die erwähnten Festkörpergelenke
verwendet werden, beziehungsweise Doppelparallelogrammgelenke, erlauben
diese nur eine Parallelbewegung des mit Ihnen verbundenen Positionierkörpers.
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Auch
wäre es
möglich,
dass das Kopplungselement einteilig mit der ihm zugeordneten Antriebseinrichtung
ausgeführt
ist, beispielsweise als Festkörpergelenk
beziehungsweise als einheitliches Spritzgussteil. Auf diese Weise
können
die Herstellungskosten weiter gesenkt werden.
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Es
wäre jedoch
auch möglich,
dass der Positionierungskörper über wenigstens
ein Kopplungselement kraftflüssig
mit dem diesem Kopplungselement zugeordneten Antriebselement verbunden
ist. Für
diese Ausführungsform
können
beispielsweise seilzugartige Mechanismen, die unten im Detail erläutert werden,
verwendet werden.
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Bei
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist die Vorrichtung
wenigstens eine Positionserfassungseinrichtung zur Erfassung einer
Position wenigstens eines angetriebenen Elementes bzw. zur wenigstens
mittelbaren Erfassung einer Position des Positionskörpers auf.
Bei dieser Ausführungsform
ist damit ein geeignetes Positionserfassungssystem vorgesehen, welches
insbesondere die Position eines angetriebenen Elementes, möglicherweise
aber auch des Positionierkörpers,
erfasst. Weiterhin ist – wie
oben erwähnt – eine mehrdimensionale
Kinematik vorgesehen, die bevorzugt spielfrei ist und insbesondere
auch kein Umkehrspiel aufweisen sollte. Gerade diese erwähnte Spielfreiheit
des Gesamtsystems stellt eine konstruktive Herausforderung dar,
da das zu bewegende Objekt zwar die Freiheitsgrade in mehreren Raumrichtungen
aufweisen muss, jedoch von den Antriebselementen gleichzeitig spielfrei
bewegt werden muss.
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Bei
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist wenigstens
ein Kopplungselement wenigstens eine erste Biegestelle und eine
zweite Biegestelle auf, wobei sich die erste Biegestelle und die
zweite Biegestelle bevorzugt in unterschiedlichen Raumrichtungen
erstrecken. Vorzugsweise erstrecken sich die Biegestellen in zueinander
senkrechten Richtungen zueinander, um auf diese Weise eine Schwenkung
um zwei unterschiedliche Schwenkachsen zu ermöglichen.
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Bei
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist die Vorrichtung
einen Träger
auf, an dem wenigstens eine Antriebseinrichtung und wenigstens ein
angetriebenes Element angeordnet ist. Vorzugsweise ist dabei das
angetriebene Element wieder direkt mit dem Kopplungselement in Verbindung.
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Bevorzugt
steht der Positionierungskörper lediglich
mit den Kopplungselementen in Kontakt. Dies bedeutet, dass die Bewegung
des Positionierkörpers
ausschließlich
durch die Kopplungselemente bestimmt wird.
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Weitere
vorteilhafte Ausführungsformen
ergeben sich aus den beigefügten
Zeichnungen.
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Darin
zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer ersten
Ausführungsform;
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2 eine
Detaildarstellung eines Kopplungselementes für die Vorrichtung aus 1;
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3 eine
erfindungsgemäße Vorrichtung
in einer zweiten Ausführungsform;
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4 eine
Explosionsansicht der in 3 gezeigten Vorrichtung;
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5 eine
erfindungsgemäße Vorrichtung
in einer weiteren Ausführungsform;
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6 eine
Detaildarstellung des Antriebes der Vorrichtung aus 5;
und
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7 eine
weitere Detaildarstellung des Kopplungselementes der Vorrichtung
aus 5;
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1 zeigt
eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 in
einer ersten Ausführungsform.
Bei dieser Ausführungsform
ist ein Positionierkörper 2 vorgesehen,
der hier würfelartig
ausgebildet ist und der von drei Kopplungselementen 14, 16, 18 gehalten
wird. Dieser Positionierkörper
kann auch als Träger
für (nicht
gezeigte) Greifelemente dienen. Dabei sind diese drei Kopplungselemente
die einzigen Elemente, welche den Positionierkörper 2 berühren. Auch
die Bezugszeichen 4, 6 und 8 beziehen
sich jeweils auf Antriebskörper,
die von Antriebseinrichtungen 10, das heißt hier
Piezomotoren, angetrieben werden.
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Durch
eine Bewegung der Piezomotoren 10 in bekannter Art werden
dabei die angetriebenen Elemente 4, 6, 8 jeweils
entlang ihrer Längsachsen,
zum Beispiel entlang der eingezeichneten Achse x, bewegt. Die Kopplungselemente 14, 16, 18 übertragen diese
Bewegung auf den Positionierkörper 2 und
erlauben auf diese Weise eine sehr genaue Ausrichtung desselben.
Damit liegt bei der gezeigten Ausführungsform jeweils ein Piezoantrieb 10 pro
angestrebtem Freiheitsgrad der Anwendung vor. Diese Piezoantriebe
werden so verwendet, dass hier ein Schubelement, das heißt hier
die angetriebenen Elemente 4, 6, 8 direkt
oder indirekt bewegt werden, und diese Antriebselemente wiederum
beweglich mit dem Positionierkörper
verbunden sind. Bei den hier gezeigten indirekten Antrieben ist
das von den Piezoantrieben 10 bewegte Element 4, 6, 8 beweglich
mit dem Kopplungselement 14, 16, 18 verbunden,
die wiederum beweglich mit dem Positionierkörper verbunden sind.
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Diese
beweglichen Verbindungen werden dabei von den Kopplungselementen 14, 16, 18,
die hier als Festkörpergelenke
ausgeführt
sind, realisiert.
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Diese
Kopplungselemente 14, 16, 18 bringen
den Vorteil der Spielfreiheit, der einfachen Fertigbarkeit sowie
der geringen Massen und der geringen Anzahl benötigter Bauteile mit sich. Die
Piezoantriebe 10 werden mit ihren jeweiligen Verbindungen
zu dem Positionierkörper
so aufgebaut, dass sie gemeinsam die Position des Positionierkörpers genau definieren.
So kann der Positionierkörper 2 durch n-Piezoantriebe 10 in
n-Freiheitsgraden bewegt werden, welche auch redundant sein können.
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Die
Ausführung
dieser Kinematiken ermöglicht
es, sowohl die antreibenden Motoren 10 statisch aufzubauen,
so dass die Motoren 10 nicht mit bewegt werden müssen, als
auch ein Aufbau, bei dem die Motoren 10 mit der Schubstange,
das heißt,
hier den angetriebenen Elementen 4, 6, 8 oder
auch mit dem Positionierkörper
mitbewegt wird. Durch die spielfreie Kopplung zwischen den (prinzipbedingt
spielfreien) Piezoantrieben und dem Positionierkörper kann eine Positionsmessung
zur Ansteuerung der Motoren im „Closed Loop Verfahren" sowohl an dem Positionierkörper selbst
erfolgen, als auch direkt an den einzelnen Piezoantrieben 10.
Bei der letzteren Vorgehensweise kann bevorzugt die Positionsmessung
sehr einfach implementiert werden. Insgesamt stellt sich die in 1 gezeigte
Vorrichtung als Deltakinematik mit Parallelogramm-Festkörpergelenken
und Linearantrieb dar.
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2 zeigt
ein Beispiel für
ein Kopplungselement 14. Das Kopplungselement 14 weist
dabei zwei Seitenwände 26 auf,
die starr ausgebildet sind. Die Bezugszeichen 24 beziehen
sich auf Biegestellen, über
welche die Seitenwände 26 jeweils
mit einer Bodenfläche 25 und
einer Deckelfläche 27 in
Verbindung stehen. Diese Biegestellen 24 definieren dabei gleichzeitig
Schwenkachsen, mit denen die Wände 26 gegenüber dem
Boden beziehungsweise Deckelflächen 25 und 27 geschwenkt
werden können.
Auf diese Weise ist eine parallele Bewegung zwischen der Bodenfläche 25 und
der Deckelfläche 27 möglich.
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Die
Bezugszeichen 22 beziehen sich auf weitere Biegestellen,
mit denen die Bodenfläche 25 beziehungsweise
die Deckelfläche 27 jeweils
mit Endkörpern 28 in
Verbindung stehen. Dabei ist auch hier eine Schwenkbarkeit um eine
Achse gegeben, welche durch diese Schwenkstellen 22 definiert
werden. Die entsprechende Schwenkachse steht dabei senkrecht auf
derjenigen Schwenkachse, die durch die Biegestellen 24 definiert
ist. Damit ist eine parallele Verschiebung der beiden Endkörper 28 gegeneinander
in zwei zueinander senkrechten Richtungen möglich.
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Im
Betrieb der erfindungsgemäßen Vorrichtung
kann sich das Kopplungselement 14 bzw. Gelenkviereck beim
Scheren verkürzen.
Dieser Effekt könnte
beispielsweise durch die Feder 11 des Piezomotors, eine
Elastizität
in Richtung der Längsachse des
Gelenkvierecks 14, ein Durchrutschen des Motors 10 oder
eine aktive Motor-Positionsregelung ausgeglichen werden. Bei der
in 1 gezeigten Ausführungsform kann ein Ausgleich
insbesondere über
die relativ weiche Feder 11 des Piezomotors 11 stattfinden.
Aus diesem Grund ist die Verwendung eines Piezomotors für die erfindungsgemäße Vorrichtung
besonders vorteilhaft.
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3 zeigt
eine weitere Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Bei dieser Ausführungsform
sind die angetriebenen Elemente 4, 6, 8 jeweils
als kreissegmentförmige
Körper
ausgebildet, die um eine (in 3 nicht
gezeigte) Drehachse drehbar angeordnet sind und von den Piezomotoren 10 angetrieben
werden. An diesen Antriebselementen sind wiederum die Kopplungselemente 14, 16, 18 angeordnet
(14 nicht sichtbar) und an diesen Kopplungselementen wiederum
der Positionierkörper 2.
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Das
Bezugszeichen 32 bezieht sich auf eine Positionserfassungseinrichtung,
welche jeweils die Positionen der Antriebselemente 4, 6 und 8 erfasst. Bei
diesen Positionserfassungsein heiten kann es sich um optische, beispielsweise
Lichtschrankeneinheiten, handeln, es wären jedoch auch magnetisch arbeitende
Positionserfassungseinheiten möglich. Die
Piezomotoren sind dabei gemeinsam an einem Träger 40 fest angeordnet.
An diesem Positionierkörper 2 können wiederum
Greifer, Pipetten oder dergleichen angeordnet sein, wobei diese
Elemente bevorzugt fest an dem Positionierkörper angeordnet sind. Das Bezugszeichen 34 bezieht
sich auf ein Magnetelement, welches mit der Positionserfassungseinrichtung 32 zur
Erfassung von Positionen zusammenwirkt. Als Kopplungselemente 14, 16, 18 werden auch
wieder Parallelogrammfestkörpergelenke
verwendet.
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4 zeigt
eine Explosionsdarstellung der in 3 gezeigten
Vorrichtung. Man erkennt hier, dass die Antriebskörper 4, 6, 8 jeweils
Vorsprünge 28 aufweisen,
mit denen sie an einer (nicht im Detail gezeigten) Nut anliegen.
Durch die Motoren 10 werden diese Antriebselemente 8 in
diese Nut gedrückt,
so dass eine Drehbewegung um die Nut möglich ist, wobei hier die Antriebselemente
lediglich durch die Anpresskraft der Motoren in dieser Nut gehalten
werden. Auf diese Weise wird ein sehr kostengünstiger Positioniermechanismus
zur Verfügung
gestellt. Neben der hier dargestellten Lagerung durch ein Spitzenlager
mit zweigeteiltem Lagersitz könnte
jedoch auch eine Achslagerung vorgesehen sein.
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Das
Bezugszeichen 39 bezieht sich dabei auf Radlager zur Lagerung
der jeweiligen Antriebsräder
beziehungsweise Antriebselemente 4, 6 und 8. Die 3 und 4 zeigen
damit eine Deltakinematik mit Parallelogramm-Festkörpergelenk
und einem rotatorischem Antrieb.
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5 zeigt
eine weitere Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Positioniervorrichtung,
genauer, eine Vorrichtung mit Zentralzug-Festkörpergelenken und rotatorischem
Antrieb. Bei dieser Ausführungsform
ist ein Antrieb für
eine mehr als dreidimensionale Kinematik möglich. Genauer gesagt wird
hier eine Kinematik vom Typ „Hexapod" zur Verfügung gestellt,
welche eine Bewegung in sechs Freiheitsgraden (beispielsweise drei
translatorischen Freiheitsgraden, zwei Winkelfreiheitsgraden sowie
eine Rotation) ermöglicht.
Zu diesem Zweck sind hier insgesamt sechs Antriebselemente 4, 5, 6, 7, 8 und 9 vorgesehen
(nur teilweise sichtbar), welche jeweils über Kopplungselemente 14, 15, 16, 17, 18 und 19 mit
dem Positionierkörper 2 in
Verbindung stehen. Die Motoren 10 selbst sind hier auch
wieder fest an einem Träger 40 angeordnet.
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6 zeigt
eine Detaildarstellung zur Veranschaulichung der Anordnung des Koppelelements 14 zwischen
dem Antriebselement 4 und dem Positionierkörper 2.
Dieses Kopplungselement 14 ruht dabei auf Seiten des Positionierkörpers in
einer Ausnehmung 52, so dass grundsätzlich das Kopplungselement
um beliebige Schwenkachsen gegenüber
dem Positionierkörper 2 bewegbar
ist. Entsprechend ist das Kopplungselement 14 auch um beliebige Schwenkachsen
um das Antriebselement schwenkbar.
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Dabei
ist jedoch das Kopplungselement 14 sowohl mit dem Antriebselement 4 als
auch mit dem Positionierkörper 2 zugfest
verbunden. Die Verbindung zwischen dem Zentralbauteil d. h. dem
Positionierkörper 2 und
den Antriebsrädern 4, 5, 6, 7, 8, 9 erfolgt über ein
Zentralzug-Festkörpergelenk.
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7 zeigt
eine weitere Darstellung zur Veranschaulichung des Kopplungselements
bzw. eines Zentralzug-Festkörpergelenks.
Dieses Kopplungselement 14 weist dabei einen Grundkörper 62 auf,
der sich verjüngende
Spitzen 64 und 68 aufweist, wobei diese verjüngenden
Spitzen jeweils in den Ausnehmungen 52 des Positionierkörpers und
einer entsprechenden Ausnehmung des Antriebselements 4 liegen.
Im Inneren dieses Grundkörpers 62 verläuft ein Kanal 70,
der zur Aufnahme eines Zugmittels 66 dient. Dieses Zugmittel 66 kann
dabei beispielsweise ein elastisches Element sein, welches vergrößerte Köpfe 66a und 66b aufweist,
die wiederum an dem Positionierkörper 2 bzw.
dem angetriebenen Element 4 angeordnet sind. Auf diese
Weise werden der Positionierkörper 2 und
das angetriebene Element 4 über dieses Zugmittel in Verbindung
mit dem Kopplungselement 14 zusammengehalten. Dabei ist
einerseits eine weitgehend freie Bewegung möglich, andererseits wird jedoch
der Abstand zwischen dem Positionierkörper 2 und dem Antriebselement 4 genau
definiert festgelegt, so dass der Positionierkörper 2 bezüglich des
angetriebenen Elements 4 im wesentlichen auf einer sphärischen
Fläche
beweglich ist.
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Es
wird darauf hingewiesen, dass bei den dargestellten Ausführungsformen
jeweils Piezomotoren als Antriebselemente verwendet werden. Es wäre jedoch
auch möglich,
anstelle dessen herkömmliche
Elektromotoren einzusetzen oder auch Linearmotoren.
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Sämtliche
in den Anmeldungsunterlagen offenbarten Merkmale werden als erfindungswesentlich
beansprucht, sofern sie einzeln oder in Kombination gegenüber dem
Stand der Technik neu sind.
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- 1
- Vorrichtung
- 2
- Positionierkörper
- 4,
6, 8
- Antriebskörper
- 10
- Antriebselement,
Piezomotor
- 11
- Feder
des Piezomotors
- 14,
16, 18
- Kopplungselement
- 15,
17, 19
- Kopplungselement
- 22
- weitere
Biegestelle
- 24
- Biegestelle
- 25
- Bodenfläche
- 27
- Deckelfläche
- 28
- Endkörper
- 32
- Positionserfassungseinrichtung
- 34
- Magnetelement
- 39
- Radlager
- 40
- Träger
- 52
- Ausnehmungen
- 62
- Grundkörper
- 64,
68
- Spitzen
- 66
- Zugmittel
- 66a,
66b
- vergrößerte Köpfe des
Zugmittels
- 70
- Kanal
- X
- Richtung