DE2162039C3

DE2162039C3 - Positionierungsvorrichtung

Info

Publication number: DE2162039C3
Application number: DE2162039A
Authority: DE
Inventors: Bruce Alden Del Mar Calif. Sawyer (V.St.A.)
Original assignee: Xynetics Inc
Current assignee: Xynetics Inc
Priority date: 1971-06-28
Filing date: 1971-12-10
Publication date: 1979-06-21
Also published as: IT945460B; GB1375440A; CA997041A; DE2166956A1; AU468349B2; JPS5334076A; FR2144189A5; SE397222B; AU3794872A; JPS5721953B1; NL7117561A; DE2162039B2; SE7502549L; US3735231A; GB1375439A; DE2162039A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Positionierungsvorrichtung zum Ausführen einer beliebigen Translation enlbng zweier Achsen mit einem Läuferglied und einem Ständcrglied, bei der das Läuferglied für jede Achse Antriebsvorrichtungen aufweist, die durch der jeweiligen Achse zugeordnete Steuersignale wechselnder Polarität elektromagnetisch erregbar sind, wobei das Läuferglied mit zwei Gruppen von Spulen versehen isi. von denen jede Gruppe jeweils einer der beiden Achsen zugeordnet ist und die Spulen jeder Gruppe in der Richtung ihrer Achse auf Abstand liegen und Magnetflußvektoren erzeugen, die sich in der der Gruppe entsprechenden Richtung fortpflanzen. Eine derartige Positionierungsvorrichtung ist aus der US-PS 33 76 578 bekanntgeworden. Die Positionierungsvorrichtung nach der US-PS 33 76 578 arbeitet nach dem Prinzip des Motors mit variablem magnetischem Widerstand. Dabei weist das Läufcrglied elektromagnetische Pole auf. Diese Läuferpole und das Ständerglied tragen eine

Zähnung mit gleicher Zahnteilung, die jeduch bei den Läuferpolen gegeneinander verschoben angeordnet ,:>.. Werden die Läuferpole erregt, findet eine Wechselwirkung zwischen der Zahnung des Standergliedes und der des Läufergliedes statt, als deren Ergebnis sich das Ständerglied nach Maßgabe der wahlweisen Erregung der Spulen relativ zum Ständerglied bewegt. Dabei lälit sich auch eine dauernde Anzeige der Stellung des Läufergliedes relativ zum Ständerglied erreichen.

Die Positionierungsvorrichtung nach der US-PS 3J 76 578 weist Mittel auf, um eine Drehung des Läufergliedes um eine zum Ständerglied senkrechte Achse zu verhindern. Diese Maßnahme ist erforderlich, um zu gewährleisten, dal! die Bewegung des Läufergliedes relativ zum Ständerglied nur entlang der Koordinantenachsen stattfindet und die Stellung des Läufergliedes relativ zum Ständerglied jederzeit genau angezeigt wird.

Aus der US-PS 32 68 747 ist ein Linearmotor bekanntgeworden, dessen Läufer als Schiene ausgebildet ist, die eine hin- und hergehende und somit nur einachsige Bewegung ausführt.

Die US-PS 28 47 859 beschreibt eine mechanische Positionierungsvorrichtung, bei der ein Band über mehrere Walzen herumgeführt wird, wobei sich längs und querverlaufende Abschnitte des von einem Motor angetriebenen Bandes ergeben, die mit einem Gestänge derart verbunden werden können, daß das Gestänge Bewegungen längs zweier Achsen durchführen kann. Diese Vorrichtung ist konstruktiv verhältnismäßig aufwendig.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine neue Positionierungsvorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, mit der eine in zwei zueinander senkrechten Richtungen unabhängige Bewegung des Läufergliedes durchführbar ist.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß jede Gruppe von Spulen des Läufergliedes mit dem Ständerglied einen Induktionsmotor bildet. Dabei läßt sich das Läufe! jlied mit verhältnismäßig hoher Leistung und verhältnismäßig hohem Wirkungsgrad betreiben. Dies ist vorteilhaft, wenn das vom Liiiiferglied anzutreibende Werkzeug oder dergl. verhältnismäßig schwer ist. Ein weiterer Vorteil liegt bei der Ausführungsform als Induktionsmotor darin, daß das Ständerglied sich in wirtschaftlicher Weise aus einem Blech aus kohlenstoffarmen Stahl herstellen läßt, das mit einer dünnen Kupferauflage versehen werden kann.

Eine andere erfindungsgemäße Lösung der Aufgabe besteht darin, daß jede Gruppe von Spulen des Läufergliedes mit dem .Ständerglied einen Hysteresemotor bildet.

Dabei werden Hysi.ereseeffekie im Eisen des Ständergliedes für Bewegung des Läufergliedes ausgenutzt.

Bei der Ausbildung als Induktionsmotor kann die Stellung des l-ii.ifcrgliedes relativ zum Ständerglied zunächst nicht durch den Betrieb der Posi'.ionierungsvorrichtung angezeigt werden, weshalb das Läuferglied und das Ständerglied nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung; mit einer Anzeigevorrichtung ausgestattet sind, die die; Stellung des Läufergliedes in beiden Achsenrichtungen anzeigt.

Außerdem besitzt das Läuferglied nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform eine die Drehung des Läufergliedes unterdrückende Vorrichtung, um eine achsentreue Bewegung des Läufergliedes zu gewährleisten.

Anhand der Zeichnungen werden bevorzugte Auslührungsformen der Erfindung näher beschrieben.

Fig. la ist eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung mit dem Läuferglied ■i und dem Ständerglied, welche einen Induktionsmotor bilden;

Fig. Ib zeigt einen aufgebrochenen Schnitt durch ein abgeändertes Ständerglied;

F i g. 2 zeigt Einzelheiten der Anordnung der Pole und lu Spulen auf dem Läuferglied relativ zum Ständerglied, mit denen das Ständerglied entlang einer Achse relativ /um Ständerglied bewegt wird;

Fig. 3 zeigt Einzelheiten der Anordnung der Pole und Spulen auf dem Läuferglied relativ zum Ständerglied, mit denen das Ständerglied entlang einer zweiten Achse relativ zum Ständerglied bewegt wird;

F i g. 4 zeigt schematisch von den Anordnungen der F i g. 2 und 3 in dem Ständerglied erzeugten Wirbelströme;

2u F ι g. 5 ist eine perspektivische AnsirH«. einer Anordnung zur Unterdrückung einer Drehung des Läufergliedes relativ zum Ständerglied;

F i g. 6 ist eine vergrößerte Ansicht bestimmter Einzelheiten der F i g. 5;

2> F i g. 7 ist eine Perspektivansicht der Pole und Spulen eines Läutergliedes und zusätzlicher am Läuferglied vorgesehener Spulen zum Zweck der Stellungsanzeige bei Verwendung eines Ständergliedes nach F i g. 2;

F i g. 8a, 8b, 8c und 8d zeigen schematisch die ju Funktion der Anordnung der Fig. 7 zur kontinuierlichen Anzeige der Bewegung des Läufergliedes relativ zum Siänderglied;

Fig.9 ist eine Perspektivansicht eines Läufergliedes, bei dem eine Drehung relativ zum Ständerglied unterdrückt wird;

Fig. 10 ist eine Perspektivansicht einer weiteren Anordnung zur Unterdrückung einer Drehung des Läufergliedes relativ zum Ständerglied;

Fig. 11 ist ein vergrößerter Teilschnitt einiger An Elemente in der F i g. 10 dargestellten Bauteile;

Fi,- 12 ist ein vergrößerter Teilschnitt einiger weitererinder Fig. 10dargestellten Bauteile;

Fig. 13 ist eine Perspektivansicht einer anderen Ausführungsiorm der Vorrichtung zur Anzeige der Stellung des Läufergliedes relativ zum Star. Jerglied,

Fig. 14 ist eine vereinfachte Perspektivansicht der Vorrichtung nach Fig. 13:

Fig. 15 zeigt schematisch ein elektrisches Ersatzschaltbild der Vorrichtung nach den F i g. 13 und 14;
Fig. 16 ist eine Ansicht einer weiteren Ausführungsform der Erfindung mit kontinuierlicher Anzeige der Stellung des Läufergliedes relativ zur Grundplatte;

Fig. 17 ist ein elektrisches Blockschaltbild einer Regelschleife für den Antrieb des Läufergliedes relativ zum Siänderglied;

Fig. 18 ist eine Perspektivansicht eines Systems mit einer zusätzlichen Ausführungsform der Erfindung, bei der das Läuferglied unabhängig translatorische und Drehbewegungen ar-.führen kann, wobei die translatow) rische und die Drehbewegung gleichzeitig oder zu unterschiedlichen Zeitpunkten stattfinden kann;

Fig. 19 ist eine Seitenansicht einer in der Ausführungsform nach Fig. 18 enthaltenen Vorrichtung, bei der zur Stellungsanzeige farbige Streifen optisch abgetastet werden;

Fig. 20 ist eine schematische Darstellung einer Vorrichtung in einer Ausführungsform der Erfindung, mit der die Geschwindigkeit des Läufergliedes relativ

zum Sländerglicd entlang einer bestimmten Achse angezeigt werden kann;

I^;ig. 21 ist eine Perspektivansichl einer weiteren AusfUhrungsfonn der Erfindung mit Darstellungen des Läufcrgliedes und des Sländerglicdcs, wobei das Slündcrglied einen Hysteresemotor aufweist.

Die Positionierungsvorrichtung nach I⁷ig. la besitzt ein Ständerglied 10 in Form einer ebenen Grundplatte, die mit einer Schicht 12 aus Weicheisen versehen ist. Auf dieser durchgehenden Weichcisenschichl kann ein durchgehendes Blatt 16 eines elektrisch leitenden Materials — wie ?. B. Kupfer — angebracht sein.

Vorzugsweise ist das Blatt 16 dünn. Auch können im Blatt 16 auf der Schicht 12 aus Weicheisen im Absland zueinander angeordnete Teile 17 aus Weicheisen (Fig. 16) eingelagert sein, die das Blatt durchbrechen. Diese Teile 17 können einteilig mit der Wcicheisensrhirhl 12 aiiügfhilripl sein und sich insclförmig aus der Schicht 12 erheben. Wenn das Blatt 16 von den Teilen 17 unterbrochen wird, besitzt das Ständerglied 10 eine gitlerförmige Struktur. Die einzelnen voneinander getrennten Teile 17 können sich so weit aufwärtserstrecken, daß ihre oberen Flächen im wesentlichen in der gleichen Ebene liegen wie die Oberfläche des Blattes 16. Daß das Blatt 16 jedoch auch über der Weicheisenschicht 12 liegen kann, ist einzusehen. Es kann auch nur das Blatt 16 eingesetzt werden und dir Weicheisenschicht 12 durch ein nii-himagnetisches Material ersetzt werden.

Das Blatt 16 mit den Teilen 17 läßt sich auf verschiedene Weise ausbilden. So kann man ein durchgehendes Blatt 16 aus Kupfer vorsehen, aus dem die Teile 17 ausgeätzt sind. Weiterhin können die Teile 17 aus Eisen als vorstehende Flächenteile vorgesehen werden, zwischen denen das Kupfer aufgebracht wird, aus dem das Blatt 16 gebildet ist.

Das Läuferglied 18 weist parallel zu den Koordinatenachsen Reihen von Polen 20 und 22 auf. Die Pole 20 und 22 sind lamelliert, um Wärmeverluste im Eisen so gering wie möglich zu halten.

Das Läuferglied 18 enthält Spulen 26 bis 29, die voneinander räumlich getrennt sind (vergl. F i g. 2). Die Spulen 26 bis 29 liegen auf abwechselnden Polen 20a bis 2Odund werden zunächst so erregt, daß ein Magnetfluß zwischen den Polen 20a und 20c, auf denen die Spulen 26 und 28 angeordnet sind, verläuft. Die Spulen 26 und 28 . werden nach einer periodischen Zeitfunktion erregt. An den Spulen 27 und 29 legt man ebenfalls eine periodische Erregung, die zu der der Spulen 26 und 28 um 90° phasenverschoben ist. Beispielsweise kann die Erregung der Spulen 26 und 28 sinusförmig, die der Wicklungen 27 und 29 cosinusförmig sein.

Der durch die Spulen 26 und 28 hervorgerufene Magnetfluß 30 erstreckt sich durch das Ständerglied 10. Der Fluß verläuft von einem der Pole 20a bzw. 20c um die Weicheisenschicht 12 und kehrt in einer geschlossenen Schleife zu dem anderen der Pole 20a und 20c zurück. Entsprechend verursacht die Erregung der Spulen 27 und 29 einen magnetischen Fluß zwischen den Polen 206 und 2Od. Da der durch die Spulen 26 bis 29 erzeugte Fluß sich auch durch das elektrisch leitende Blatt 16 erstreckt, werden in diesem Wirbelströme 32, vgl. Fig.4, induziert. Die Wirbelströme 32 und der durch die Spulen 26 bis 29 erzeugte Magnetfluß wirken wie bei einem Asynchronmotor zusammen, um eine Kraft zu erzeugen, die im wesentlichen rechtwinklig zu sowohl der Richtung der Wirbtiströme 32 und der des Flusses 30 gerichtet irt. Diese Kraft verläuft bei der zuvor geschilderten Erregung in Richtung des Pfeiles 33 in F i g. 2.

Die auf das Läufcrglicd 18 relativ zum Ständerglied 10 in Richtung des Pfeils 33 ausgeübte Kraft ist in jedem Augenblick auch von der Amplitude der an den Spulen 27,29 liegenden Signale abhängig. Indem man die an die Spulen 27, 29 angelegte Spannung veränderlich macht, kann die Stärke des im Ständcrglied 10 durch die Spulen erzeugten Magnetflusses entsprechend geändert wer-

in den. Auf diese Weise läßt sich die Größe der auf das Liiufcrglicd 18 wirkende Kraft steuern.

Die Richtung der auf das Läufcrglied 18 aufgebrachten Kraft und damit der Läuferbewegung hängt von der Polarität des an den Spulen 27, 29 liegenden Signals ab.

Beispielsweise wird eine Kraft in der Richtung des Pfeils 3.3 (I'ig. 2) erzeugt, wenn man die Spulen 27, 29 mit einer positiven C'osinusfunklion erregt, und eine Κ>·ηΠ wird in der entgcgcngcsetzi'"! Richtung des Pfeils 31 erzeugt, wenn man die Spulen 27,29 mit einer negativen Cosinusfunklion erregt.

Die Bewegung des Läufergliedes 18 relativ zum Ständcrglied 10 erfolgt, wie stets bei asynchronen Antrieben bei einer Geschwindigkeit, die kleiner ist als el·«·, mit der der von den Spulen 26 bis 29 erzeugte Magnetfluß sich das Ständcrglied entlang bewegt. Infoige dieses ^'"!chwindigkeitsunlerschiedes verläuft der Ff'iß bei der Bewegung des Läufergliedes relativ zum Ständerglied weiterhin durch das Blatt 16 und verursacht in diesem Wirbelströme einer Frequenz, die

so der Differenz der des Magnetflusses und der Geschwindigkeit des Läufergliedes entspricht

Die obige Beschreibung bezog sich auf Bewegungen des Läufergliedes 18 entlang einer bestimmten Achse, z. B. der X-Achse, z. B. dieser Achse. Entsprechende Anordnungen lassen sich für die Bewegung des Läufergliedes entlang einer zweiten Achse, z. B. der zur X-Achse senkrechten /-Achse, relativ zum Ständerglied vorsehen. Eine solche Anordnung mit den Polen 22a, 226. 22c und 22d (Fig. 3) und Spulen 64 bis 67 arbeitet längs der K-Achse in der gleichen Weise wie die Anordnung nach F i g. 2 längs der X-Achse.

Das Ständerglied 10 braucht keine Schicht 12 aus Weicheisen aufzuweisen. Das Weicheisen ist jedoch vorteilhaft, da es den Magnetfluß verstärkt.

Die Fig. 5 und 6 zeigen eine Ausführungsform, welche Drehungen des Läufergliedes verhindert. Diese Ausführungsform enthält ein Paar Induktionsmotore 100 und 102 zum Antrieb des Läufergliedes 18 relativ zum Ständerglied 106 entlang zweier aufeinander senkrechter Achsen. Das Läuferglied weist ar· einem Ende einen Permanentmagneten 108, der sich zwischen den Außenpunkten dieses Endes befindet, sowie ein Paar Rollen 110 beiderseits des Magneten 108 an diesem Ende auf.

Die Rollen 110 liegen an einem parallel zur V-Achse verlaufenden Schenkel einer T-förmigen Führung 112 aus Weicheisen oder einem mit Weicheisen überzogenem Material an. Die T-förmige Führung 112 wird also vom Permanentmagneten 108 angezogen und bewegt

fen sich mit Läuferglied 18 in der X-Richtung. Da die Rollen 110 am Schenkel der T-förmigen Führung 112 in zwei auf Abstand liegenden Punkten anliegen, kann sich das Läufergüed nicht verdrehen.

Der andere Schenkel der T-förmigen Führung 112 Hegt parallel zur X-Achse und weist an entgegengesetzten Enden ein Paar Rollen 114 sowie zwischen diesen einen Permanentmagneten 116 auf, der die T-förmige Führung an eine aus Weicheisen hergestellte feststehen-

de Schiene 118 anzieht. In Verbindung mit der Anlage der Rollen 114 an der Schiene 118 wird gewährleistet, daß das Läufergließ 18 sich nicht verdrehen kann.

Wie im Zusammenhang mit Fig. Ib beschrieben, kann das elektrisch leitende Blatt 16 auch durch Teile 17 durchbrochen sein. Dies hat bestimmte Vorteile gegeni^ir einem durchgehenden Blatt. Der magnetische Kreis verläuft über die Teile 17, damit wirkt das Blatt 16 nicht mehr als zusätzlicher Luftspalt, so daß die Stärke des Magnetflusses zwischen dem Läuferglied und der weicheisernen Schicht bei vorgegebener Stromstärke höher ist und der Wirkungsgrad des Motors folglich steigt. Mit den Teilen 17 können auch Vfirichlungen, die die Bewegung des Läufergliedes erfassen und solche, die eine Drehung des Läufergliedes gegenüber dem Ständerglied verhindern, zusammenwirken.

Eine Vorrichtung, dip die Bewegung des Läuferglicdes erfaßt, ist in F i g. 7 dargestellt. Diese Anzeigevorrichtung weist ein Paar Fühlspulen 120 und 121 auf, die in Form gedruckter Spulen oder Flachspulen ausgeführt sein können. Die Fühlspulen 120 und 121 bewegen sich mit dem Läuferglied und liegen in unmittelbarer Nähe des Kupferblattes 16. Sie können jeweils auf den Polen 20a bzw. 20c der F i g. 2 angeordnet sein, und zwar in einer Lage, die den hervorstehenden Enden dieser Pole entspricht. Betrachtet man das Blatt 16 als Sekundärwicklung in dem Sinn, daß darin Wirbelströme erzeugt werden, können die Fühlspulen 121 und 120 als Tertia wicklung aufgefaßt werden.

Wenn man die Fühlspulen 120 und 121 gegenüber den zwischen den Teilen 17 liegenden Flächen des Blattes 16 anordnet, reagieren sie auf die in dem Blatt 16 induzierten Wirbelströme. Diese Wirbelströme erzeugen einen magnetischen Fluß, der mit den Fühlspulen 120 und 121 verkettet ist, und in ihnen verhältnismäßig hohe Spannungen induziert. Im Gegensatz hierzu ist die in den Fühlspulen 120 und 121 induzierte Spannung niedrig, wenn sie sich gegenüber den weicheisernen Teilen 17 befinden. In den Fühlspulen 120 und 121 werden also Spannungsimpulse induziert, wenn sie sich entlang der X-Achse über das Ständerglied bewegen.

Die Fig.8a zeigt aufeinanderfolgende Windungen 120a, 120Zj, 120c, 120c/ der Fühlspulen 120 in einer bestimmten Stellung des Läufergliedes relativ zum Ständerglied. Fig.8b zeigt die Windungen 120a, 1206, 120c, 120c/in einer gegenüber der Fig.8a versetzten Stellung des Läufergliedes relativ zum Ständerglied. Fig.8c zeigt die Windungen 120a, 120Z) 120c, 120c/in schematischer Form und zweigt weiterhin die WirbelsiröTnc 127 m dem Blatt 16, wenn die Windungen die Lage haben, die in F i g. 8a gezeigt ist Die Wirbelströme ergeben sich als Folge des Primärflusses Φ_Γ. Die F i g. 8d zeigt die Windungen 120a, 120Z>, 12Cc, 120c/ in schematischer Form und weiterhin die Wirbelströme 127 in dem Blatt 16; wenn die Windungen sich in der in F i g. 8b gezeigten Lage befinden.

Wenn das Läuferglied sich in der in den F i g. 8a und 8c gezeigten Lage befindet, fließen die Wirbelströme 127 im Blatt 16 an der rechten Kante der Windung 120a der Fühlspule 120. Diese Wirbelströme im Blatt 16 induzieren in der Windung 120a eine Spannung, die mit dem Pfeil 123 bezeichnet ist. Befindet sich das Läuferglied jedoch der in den F i g. 8b und 8d gezeigten Lage, Hießen die Wirbelströme 127 im Blatt 16 an der linken Kante der Windung 120a der Fühlspule 120. Diese Wirbelströme 127 induzieren in die Windung 120a eine Spannung, die mit dem Pfeil 125 bezeichnet ist Wie ersichtlich, haben die Spannungen 125 und 123 entgegengesetzte Vorzeichen. Es wird also bei einer Bewegung des Läufergliedes gegenüber dem Ständerglied in die Windung 120a eine elektromotorische Kraft (bzw. Spannung) induziert, die einer periodischen Funktion folgt.

Die F i g. 9 zeigt eine Vorrichtung zur Unterdrückung einer Drehung des Läufergliedes. Dabei sind entlang der X-Achse Pole 122, 124, 126 und 128 angeordnet, auf denen sich die Spulen 130, 132, 134 und 136 befinden. Die Spulen 130 und 134 sind so geschaltet, wie im Zusammenhang mit Fig.2 erläutert wurde. Auf den Polen 130 und 134 sind zusätzlich die Fühlspulen 139 und 140 vorgesehen, in die Spannungen induziert werden, wie es obpn mit Bezug auf die F i g. 7 und 8 beschrieben wurde.

Die Ausführungsform der Fig.9 zeigt für die V-Achse ein Paar auf Abstand liegender Anordnungen 142 und 143, die ähnlich wie die Anordnungen für die X-Achse aufgebaut sind. Eine Fühlspule 144 ist auf einem Pol 143 an einem Ende der Anordnung 143 angeordnet, und eine Fühlspule 145 ist auf einem Pol 143cder Anordnung 143 vorgesehen. In ähnlicher Weise 1st eine Fühlspule 146 auf einem Pol 142c/am Pol 143a gegenüberliegenden Ende der Anordnung 142 und eine Fühlspule 147 auf einem Pol 142Ö der Anordnung 142 angeordnet. Die Fühlspulen 144 und 146 sowie 145 und 147 sind parallel geschaltet. Indem man die Spulen in dieser Art diagonal über das Läuferglied miteinander verbindet, verursacht jede Drehung des I .äufergliedes eine Induktionsspannung in den Fühlspulen 144,146 und 145, 147. Diese Spannungen erzeugen jeweils einen Strom in den Fühlspulen 144 und 146 bzw. 145 und 147, der so gerichtet ist, daß sich Kräftepaare ergeben, die einer solchen Drehung entgegenwirken.

Es können auch Fühlspulen auf den übrigen Polen der Anordnungen 142 und 143 miteinander verbunden werden, wie es oben für die Spulen 144 und 146 beschrieben ist, um die drehungsunterdrückende Wirkung zu verstärken. Weiterhin lassen sich in gleicher Weise für die X-Achse zwei Polanordnungen wie die Anordnungen 142 und 143 für die Y-Achse vorsehen.

Die Ausführungsform der Fig. 10, 11 und 12 dient ebenfalls der Unterdrückung einer Drehung des Läufergliedes. Das Läuferglied 18 weist die Induktionsmotoren 100 und 102 wie in der Ausführungsform nach F i g. 5 auf. Zwei Lager 220 sind auf Abstand zueinander angeordnet. Die Lager 220 tragen eine Welle 222, die sich in ihnen drehen kann. Die Welle 222 trägt ihrerseits

so an jedem der beiden Enden ein Paar Räder 224. mit Pe-Tnanentmagneten und magnetischen Zähnen 226. Die Abmessungen der Zähne 226 entsprechend dem Abstand der in diesem Fall langgestreckten und zueinander parallel vprlaufenden Teile 17 im Blatt 16.

Bei Bewegung des Läufergliedes 18 quer zur Richtung der Teile 17 drehen sich die magnetischen Zähne 226 und die Räder 224 suchen den Kontakt mit den Teilen 17 (vgl. Fig. 12). Bei Bewegung des Läufergliedes in Richtung der Teile 17 haben die Zähne das Bestreben, diese Teile entlang zu gleiten. Ist die Welle 222 genau mit den Teilen 17 ausgerichtet, entstehen keine Kraue, die die Lage der Welle ändern könnten, da an den magnetischen Rädern 224 gleiche Kräfte wirken. Wenn die Welle 222 sich jedoch aus der ihren Normallage entfernt, entsteht ein Kräftepaar, welches die Ausrichtung wieder herstellt Ein solches Kräftepaar ist besonders stark ausgeprägt wenn die Zähne des einen Rades sich gegenüber Streifen des Blattes 16 und

die Zähne des anderen Rads sich gegenüber Teilen 17 befinden. Mit der Welle 222 läßt sich ein Fühler 228 koppeln, der die Drehung der Welle und damit die Bewegung des Läufergliedes relativ zum Ständerglied erfaßt.

Die Fig. 13, 14 und 15 zeigen eine weitere Ausführungsform einer Anordnung zur kontinuierlichen Anzeige der Sterling des Kopfes relativ zur Grundplatte. Diese Ausführungsform enthält im Läuferglied 18 ein erstes Glied 230 in Form eines umgekehrten U, das aus geeigneten ferromagnetischem Material — wie z. B. einem Ferrit oder einem Weicheisenblechpaket — besteht. Ein zweites Glied 232, das in Form und Aufbau dem ersten Glied 230 entspricht, ist parallel und auf Abstand zu diesem angeordnet. Die Oberteile der Glieder 230 und 232 sind durch ein Querglied 234 verbunden, das ebenfalls aus einem ferromagnetischen Material wie einem Ferrit oder einem WeicheisenblechngWpt hpstpht; p« prhSlt Hip I.agp Her Glipripr 230 und 232 relativ zueinander aufrecht.

Auf dem Querglied 234 befindet sich eine Primärwicklung 236 und die Schenkel 230a und 230ό des Gliedes 230 tragen die Spulen 238 bzw. 240, die in Reihe geschaltet sind. Auf den Schenkeln 232a und 232b des Gliedes 232 befinden sich die Spulen 242 und 244, die ebenfalls in Reihe geschaltet sind. Wird die Primärwicklung 236 mit einem periodischen Signal erregt, so wird in den Spulen 238, 240 eine periodische, z. B. sinusförmige Spannung induziert, und in den Spulen 242 und 244 wird eine periodische z. B. cosinusförmige Spannung induziert.

Die Glieder 230 und 232 tragen Zahnungen 248, die mit jeweils gleichem Abstand angeordnet sind und voneinander durch Aussparungen getrennt sind. Der Abstand zwischen den Zähnen 248 entspricht dem Abstand zwischen den Teilen 17. Die Zähne 248 auf dem Schenkel 230a unterscheiden sich in ihrer Lage zu den Teilen 17 der Grundplatte 250 von den Zähnen 148 des Schenkels 2306 derart, daß, wenn die einen den Teilen 17 gegenüberstehen, die anderen den Lücken zwischen diesen Teilen 17 gegenüberstehen. In ähnlicher Weise sind auch die Zähne 248 auf dem Schenkel 232a im Verhältnis zu den Zähnen 248 auf dem Schenkel 2326 versetzt.

Wird die Primärwicklung 236 erregt, verläuft ein magnetischer FIuB also je nach der Stellung des Läuferglieds entweder durch den Schenkel 230a oder durch den Schenkel 2306 oder er verteilt sich auf beide Schenkel 230a, 2306.

Summe der durch die Schenkel 230a und 2306 verlaufenden magnetischen Flüsse ist bei geeigneter pimensionierung in jeder Stellung der Glieder zur Grundplatte 250 im wesentlichen konstant. Ein ähnlicher Zusammenhang besteht für den Fluß durch die Schenkel 232a und 2326 zur Grundplatte 250. Entsprechend den Flüssen durch die Schenkel werden in den Spulen 238,240,242 und 244 Spannungen induziert. Mit diesen läßt sich sowohl die Geschwindigkeit der Verschiebung des Läufergliedes als auch deren Richtung entlang der in Fig. 13 angeordneten X-Achse bestimmen. Eine der den Fig. 13, 14 und 15 ähnliche Anordnung läßt sich verwenden, um die Verschiebung des Läufergliedkopfes relativ zur Grundplatte entlang der in F i g. 13 angedeuteten V-Achse festzustellen.

Fig. 15 zeigt ein elektrisches Ersatzschaltbild der obenbeschriebenen Ausführungsform. Dieses Ersatzschaltbild enthält eine sinusförmige Spannungsquelle 260. die der durch die Wicklung 236 erzeugten magnetomotorischen Kraft entspricht. Entsprechend dem elektrischen Ersatzschaltbild der Fig. 15 wird in den Schenkeln, mit den Widerständen 262, 264 eine Spannung in Sinusform erzeugt, während eine hierauf um 90° phasenverschobene Spannung in Cosinusform in den Schenkeln mit den Widerständen 226 und 268 auftritt. Die Widerstände 26, 264, 266, 268 entsprechen der veränderlichen Reluktanz zwischen den Schenkeln 23Oa₁2306,232a, 2326 und der Grundplatte 250.

Verwendet man ein durchgehendes Blatt 16, lassen sich am Läuferglied verschiedene Vorrichtungen vorsehen, um die Bewegung des Läufergliedes gegenüber dem Ständerglied zu erfassen. Ein Läuferglied 300 (F i g. 16) kann z. B. ein Paar Laser 301, 392 tragen. Der Laser 301 richtet einen Strahl auf eine Vielzahl von optischen Einrichtungen 306, die am Rand des Ständerglieds in jeweils gleichen Abständen entlang der -Y-Achse angeordnet sind. Bei der Bewegung des Läufergliedes entlang der X Achse trifft der Strahl des Lasers 301 auf bestimmte der Einrichtungen 306 und erzeugt so eine Anzeige seiner Stellung bezüglich der X-Achse. In gleicher Weise läßt sich für den Laser 302 eine Vielazhl von optischen Einrichtungen 308 auf dem Ständerglied in jeweils gleichen Abständen bezüglich der y-Achse anordnen.

Die Fig. 17 zeigt ein Regelsystem zum Antrieb eines Läufergliedes 401 gegenüber einem Ständerglied. Die Ausführungsform der Fig. 17 sorgt nicht nur für den Antrieb des Läufergliedes, sondern verhindert auch eine Drehung des Läufergliedes relativ zum Ständerglied.

In der Ausführungsform der Fig. 17 werden Signale, die die erwünschte Bewegung des Läufergliedes relativ zum Ständerglied entlang der ,Y-Achse darstellen, auf eine Leitung 400 gegeben, um das Läuferglied in einer Richtung anzutreiben, und auch auf eine Leitung 402, um das Läuferglied in der entgegengesetzten Richtung anzutreiben. Die Signale auf den Leitungen 400 und 402 gelangen zu einem Addier-Subtrahier-Zähler 404, der diese je nach dem, ob sie von der Leitung 400 oder 402

•to ankommen, addiert oder subtrahiert.

Die Signale aus dem Addier-Subtrahier-Zähler 404 gelangen zu einem Digital-Analog-Konverter 406, dessen analoges Ausgangssignal der Verstärker 408 verstärkt. Die Ausgangssignale des Verstärkers 408 werden auf eine Antriebsvorrichtung 410 — beispielsweise die Spulen der F i g. 2 — gegeben, um das Läuferglied entlang der X-Achse anzutreiben. Parallel dazu wird die Antriebsvorrichtung 418 erregt. Die sich ergebende Bewegung des Läufergliedes entlang der

so X-Achse wird vom Fühler 411 erfaßt, der Signale an eine Richtungerfassungslogik 412 abgibt, die die Richtung und Größe einer solchen Verschiebung bestimmt. Die Ausgangssignale der Richtungserfassungslogik 412 werden auf den Addier-Subtrahier-Zähler 404 gegeben und dort von den auf den Leitungen 400 und 402 am Zähler liegenden Signalen subtrahiert. Auf diese Weise liefert der Zähler 404 in jedem Augenblick eine Anzeige der Differenz zwischen der Ist- und der Soll-Lage des Läufergliedes gegenüber dem Ständerglied entlang der X-Achse. Diese Differenz wird ausgenutzt, um Kräfte auf das Läuferglied auszuüben und es gegenüber dem Ständerglied zu bewegen, daß die Istbewegung der Sollbewegung entspricht

In gleicher Weise sind die Leitungen 420 und 422 vorgesehen, um Signale aufzunehmen, die die gewünschte Verschiebung entlang der /'-Achse darstellen. Diese Leitungen befinden sich in einer Regelschleife für die K-Achse, die der oben für die X-Achse beschriebe-

ncn entspricht. Die Regelschleife enthält ebenfalls einen Addier-Subtrahier-Zähler 424, einen Digital-Analog-Konverter 426, eine Antriebsanordnung 428, einen fühler 430 und eine Richtungserfassungslogik 432. Diese Regelschleife erzeugt Kräfte, die au^f das Läuferglied ausgeübt werden, um es entsprechend den Stellsignalen auf den Leitungen 420 und 424 in der K-Richtung zu bewegen.

Auch der Addier-Subtrahier-Zähler 440 erhält die Signale aus den Leitungen 420 und 422. Die Signale, aus dem Zähler 440 werden durch einen Üigital-Analog-Konverter 442 analogisiert, sodann verstärkt und auf eine Antriebsvorrichtung 444 gegeben. In F i g. 17 ist ein Fühler 446 vorgesehen, um die Bewegung des Läufergliedes entlang der V-Achse zu erfassen. Die Ausgangssignale des Fühlers 446 können auf eine Richlungserfassungslogik 448 gegeben werden, die die Richtung und Größe der Bewegung des Läufergliedes erfaßt und Signale an den Zähler 440 abgibt, um die weitere Bewegrngdes Läufergliedes zu steuern.

Wenn das L'iuferglied nicht verdreht wird, entspricht die von dem Fühler 430 erfaßte Bewegung der durch die Fühleinrichtung 466 erfaßten, was bedeutet, daß der von der Anordnung 428 zurückgelegte Weg dem der Anordnung 444 gleich ist. Wenn das Läuferglied sich jedoch gedreht hat, ist die durch den Fühler 430 erfaßten nicht gleich. Dieser Unterschied führt zu einer Korrekturdrehung des Läufergliedes, die der vorherigen entgegenwirkt.

In den oben beschriebenen Ausführungsformen wurden Mittel vorgesehen, um eine Drehung des Läufergliedes zu unterdrücken. Es kann jedoch zuweilen erwünscht sein, den Kopf zu drehen. Es kann z. B. erwünscht sein, das Läuferglied aus einer ersten Stellung in einer bestimmten Richtung in eine zweite Stellung zu bewegen, so daß die Bewegung bei in diese Richtung weisendem Läuferglied entlang der X- und der Y- Achse erfolgt. Es kann sodann erwünscht sein, das Läuferglied in dieser zweiten Stellung zu drehen. Es kann v/eiterhin erwünscht sein, das Läuferglied nunmehr in der zweiten Richtung aus der zweiten Stellung in eine dritte Stellung zu bringen.

In der Ausführungsform der Fig. 18 und 19 weist die Anordnung nach Fi g. 1 ein elektrisch leitendes Blatt 16 auf. Dieses ist mit in gleichen Abständen angeordneten Streifen 600 einer ersten Farbe — z. B. grün — versehen, die entlang der X-Achse angeordnet sind. Weiterhin ist das Blatt 16 mit in gleichen Abstand angeordneten Streifen 602 einer zweiten Farbe — wie z. B. rot — versehen, die entlang der V-Achse so angeordnet sind. Wenn das Läuferglied 603 von einer ersten Stellung nach einer zweiten Stellung laufen soil, wird die Bewegungsrichtung gesteuert durch das Verhältnis der roten Linien zu den grünen Linien, über die das Läuferglied 603 sich bewegt

Das Läuferglied 603 ist mit Induktionsmotoren 604 und 606 ausgerüstet, die sich in diagonal gegenüberliegenden Ecken befinden, und die das Läuferglied die X-Achse entlang bewegen. Das Läuferglied weist weiterhin einen dritten Induktionsmotor 608 auf, der das Läuferglied entlang der K-Achse bewegen soll.

Die Induktiohsmotore 604, 606 und 608 gleichen einander im Aufbau. Jeder von ihnen weist ein erstes Paar zueinander auf Abstand liegender Zellen auf, die auf die roten Linien ansprechen, sowie ein zweites Paar zueinander auf Abstand liegender Zellen, die auf die grünen Linien ansprechen. Fig. 19 zeigt im einzelnen eine Lampe 610 mit einer Linse 612, die Licht z. B. auf die grünen Streifen 600 fokussiert. Das von diesen reflektierte Licht gelangt durch die Linse 614 zu einem Paar von Zellen 616 und 618, die in einem bestimmten Abstand zueinander angeordnet sind, um eine bestimmte Phasenverschiebung der Signale, z. B. Phase^unterschied von 90° — zu erzeugen. Eine entsprechende Einrichtung ist vorgesehen, um die roten Streifen abzutasten.

Den Induktionsmotoren 604, 606 und 608 isi ein Rechner 620 zugeordnet, der die von den den Moti ren zugeordneten Zellenpaaren gelieferten Signale verarbeitet. Die vorgenannten Bewegungsarten (Drehung, des Läufergliedes, Bewegung bei gedrehtem Läuferglied, Bewegung auf gekrümmter Bahn) lassen sich nun mit geeigneten Rechnerprogrammen verwirklichen.

Die Fig. 20 zeigt eine Anordnung in einem Induktionsmotor zur Anzeige der Geschwindigkeit eines Läufergliedes 668 gegenüber einem Ständerglied 660 entlang beispielsweise der Achse. Das Läuferglied weist dabei ein Paar Primärwicklungen 650,652 auf, die auf den Polen 654 bzw. 656 angeordnet sind. Diese Pole liegen in Richtung der X-Achse auf Abstand. Die Primärwicklungen 650,652 werden mit einem Signal der Frequenz ω erregt. Dieses Signal verursacht Wirbelströme in dem Ständerglied 660. Die Wirbelströme induzieren ihrerseits Signale in den Spulen 662, 664, die auf den Polen 666 bzw. 668 angeordnet sind. Diese Signale sind ein Maß für die Geschwindigkeit in Richtung der X-Achse.

Eine ähnliche Anordnung kann vorgesehen werden, um die Geschwindigkeit in der K-Achse Richtung anzuzeigen. F i g. 21 soll den Antrieb eines Läufergliedes mit Hysteresemotoren veranschaulichen. Dabei entspricht das Läuferglied im Aufbau dem in Fi g. 2 * nd 3 für einen Induktionsmotor gezeigten. Das Ständerglied besteht jedoch aus einem festen Blech 700 aus härtbarem Stahl, und beispielsweise aus mit Kobalt legiertem Eisen wie z. B. Chromstahl mit 15% Kobalt Ein in dieser Weise ausgebildetes Ständerglied stellt einen schwach permanentmagnetischen Magneten dar. Erzeugt das Läuferglied nun einen Magnetfluß mit einem sich verschiebenden Vektor, erfolgt eine magnetische Hysterese des Restmagnetisierungszustandes im Ständerglied. Mit dem durch das Läüferglied erzeugten Fluß kombiniert, erzeugt diese magnetische Hysterese Kräfte, die das Läuferglied relativ zum Ständerglied bewegen.

Hierzu 7 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Positionierungsvorrichtung zum Ausführen einer beliebigen Translation entlang zweier Achsen mit einem Läuferglied und einem Ständerglied, bei der das Läuferglied für jede Achse Antriebsvorrichtungen aufweist, die durch der jeweiligen Achse zugeordnete Steuersignale wechselnder Polarität elektromagnetisch erregbar sind, wobei das Läuferglied mit zwei Gruppen von Spulen versehen ist, von denen jede Gruppe jeweils einer der beiden Achsen zugeordnet ist und die Spulen jeder Gruppe in der Richtung ihrer Achse auf Abstand liegen und MagnetfluBvektoren erzeugen, die sich in der der Gruppe entsprechenden Richtung fortpflanzen, dadurch gekennzeichnet, daß jede Gruppe von Spulen (26, 27, 28, 29, 64, 65, 66, 67) des Läufergliedes (18) mit dem Ständerglied (10) einen Induktionsmotor bildet.

2. Positiorsierungsvorrichtung zum Ausführen einer beliebigen Translation entlang zweier Achsen mit einem Läuferglied und einem Ständerglied, bei der das Läuferglied für jede Achse Antriebsvorrichtungen aufweist, die durch der jeweiligen Achse zugeordnete Steuersignale wechselnder Polarität elektromagnetisch erregbar sind, wobei das Läuferglied mit zwei Gruppen von Spulen versehen ist, von denen jede Gruppe jeweils einer der beiden Achsen zugeordnet ist und die Spulen jeder Gruppe in der Richtung ihrer Achse auf Abstand liegen und Magneiflußvek .ren erzeugen, die sich in der der Gruppe entsprechenden Rich*"ng fortpflanzen, dadurch gekennzeichnet, daß jede Gruppe von Spulen (26, 27, 28, 29, 64, 6^C., 66, 67) des Läufergliedes (18) mit dem Ständerglied (10) einen Hysteresemotor bildet.

3. Positionierungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Sländerglied (10) eine ebene Platte aus elektrisch leitendem Material ist.

4. Positionierungsvorrichtung nach Anspruch 2. dadurch gekennzeichnet, daß das Ständerglied (10) aus einem magnetisch verhältnismäßig harten hysteretischen Material besteht.

5. Positionierungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jede Gruppe von Spulen (26, 27, 28, 29) aus mindestens zwei Spulen besteht, die mit Signalen einer Phasendifferenz von 90" erregbar sind.

6. Positionierungsvorrichtung nach einem der Ansprüche I bis 5. gekennzeichnet durch eine Vorrichtung zur Anzeige der Verschiebung des l.aufergliedes (18) relativ zum Ständerglied (10).

7. Positionierungsvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzeigevorrichtung aus mindestens einer Fühlspule (120) am Läuferglied (18) besteht und daß das Ständerglied periodisch variierende magnetische Eigenschaften aufweist, durch die während der Relativbewegung ein die Verschiebung anzeigendes periodisches μ Signal in der Fühlspule (120) induziert wird.

8. Pösiiionierungsvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die bzw. jede Fühlspu-Ic (120) eine parallel zum Ständerglied liegende Flachspule ist.

9. Pösiiionierungsvorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Ständerglied (10) ein gitterförmig ausgebildetes elektrisch leitendes Material aufweist.

10. Positionierungsvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Lücken im gitterförmig ausgebildeten elektrisch leitenden Material mit magnetischem Material ausgefüllt sind.

11. Positionierungsvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzeigevorrichtung aus Markierungen (600, 602) auf dem Ständerglied (10) sowie einer optischen Abfühieinrichtung (610—618) auf dem Läuferglied (603) besteht.

12. Positionierungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Läuferglied eine Vorrichtung (144,

145, 146, 147) vorgesehen ist, mit der eine Drehung des Läufergliedes (18) um eine Achse unterdrückbar ist, die zu den Translationsachsen senkrecht steht.

13. Positionierungsvorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die eine Drehung unterdrückende Vorrichtung für mindestens eine Translaiionsachse Gruppen von Spulen (144, 145,

146, 147) auf dem Läuferglied aufweist, die so auf Abstand angeordnet und so miteinander verbunden sind, daß jede Drehbewegung des Läufergliedes Reaktionskräfte bev/irkt. die der Drehung entgegenwirken.

14. Positionierungivorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Spulengruppen vorgesehen sind, die gegeneinander geschallet sind.

15. Positionierungsvorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die eine Drehung unterdrückende Vorrichtung eine erste bewegbare Führung (112) parallel zu einer Translationsachse, eine /.weite, bezüglich des Sländergliedes feststehende und parallel zur anderen Translationsachse liegende Führung (118) und eine Vorrichtung aufweist, die die erste Führung entlang der feststehenden Führung parallelverschiebt.

16. Positionierungsvorrichiung m..'K Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die eine Drehung unterdrückende Vorrichtung zwei starr gekoppelte gezahnte, magnetische Räder (224), die vom Läuferglied (18) getragen werden, und eine der Radzahnung entsprechende magnetische Struktur am Ständerglied (10) aufweist.