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Zweikoordinatenschrittmotor
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Die Erfindung betrifft einen Zweikoordinatenschrittmotor, insbesondere
für die schnelle und genaue Positionierung räumlicher und flächenhafter Objekte
in der Gerätetechnik für die Ortsstrukturerkennung bzw. -veränderung. Derartige
Antriebe sind besonders für den Anschluß an digitale Signale erzeugende elektronische
Systeme geeignet.
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Es ist bekannt, daß Zweikoordinatenbewegungseinrichtungen existieren,
bei denen Kreuztische durch rotatorisch arbeitende Schrittmotore über eine Mutter-Spindel-Paarung
mittels längsbeweglicher Kardanwellen, über Seilzüge speziell in xy-Schreibern cder
direkt über eine federgekoppelte spielfreie und querverschiebbare Anlenkung angetrieben
werden. Als Antrieb werden auch kontinuierlich arbeitende Rotationsmotore mit Kupplungen
und Bremseinrichtungen in Verbindung mit inkrementellen Gebern und Regeleinrichtungen
verwendet. Auch Linearmotore werden für den Antrieb von Kreuztischen verwendet.
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Kreuztische besitzen jedoch eine große Masse für die Bewegungseinrichtung
in der zweiten Koordinate, wenn eine hohe Positioniergenauigkeit notwendig ist,
und sie haben deshalb ein ungünstiges dynamisches Verhalten.
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In der DD-PS 129 948 ist eine Anordnung beschrieben, bei der sich
zwischen einem ersten und einem zweiten Teil, zwischen denen sich ein magnetischer
Fluß schließt, ein drittes Teil befindet, daß so angeordnet ist, daß zwischen ihm
und mindestens einem der ersten beiden Teile eine Relativbewegung möglich ist.
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Für eine Schrittbewegung in mehreren Koordinatenrichtungen sind Leiterbahnen
und Zähne für die Bewegung entlang der einzelnen Koordinaten so angeordnet, daß
sich immer eine ausreichende Leiterlänge jeder ineinander kreuzungsfrei verschachtelten
Leiterbahnen im zugehörigen BagnetSeld befindet.
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Die in den Figuren 3a bis 3d dargestellten Prinzipien zeigen die Anordnung
von Zähnen und Leitern zueinander und machen drei wesentliche Nachteile deutlich,
die in einer sehr geringen erzeugten Kraft bei kleinen Schrittgrößen infolge der
geringen zumassigen Strombelastung dünner Leiterzüge, der nur möglichen relativ
großen Schrittweite infolge der technologisch begrenzten Herstellbarkeit kleinster
Zahnbreiten und der bei feinen Zahnteilungen und Leiterbahnen infolge geringer Intensitätsunterschiede
bedingten geringen Schrittgenauigkeit, insbesondere bei wirkenden Gegenkräften.
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Ziel der Erfindung ist es, einen Zweikoor.dinatenschrittmotor zu schaffen,
mit dem sich drehmomentenfreie, drehmomentenkompensierbare und Drehmomente erzeugende
Kräfte an einer Tischplatte auch für kleinste Schrittweiten unter 1/Um realisieren
lassen, der sich durch geringe Masse und große Kräfte und damit gute Dynamik und
geringen Herstellungsaufwand auszeichnet.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen -Zweikoordinatenschrittmotor
zu schaffen, der ein günstiges dynamisches Verhalten besitzt und auch kleinste Schrittweiten
bis unter 1/um ermöglichst.
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Die Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst, daß in bekannter Weise
eine oder mehrere in einer beweglichen Tischplatte befestigte Spulenanordnungen
bestimmter Abmessungen in den Luftspalten von Magnet systemen angeordnet sind. Bei
Stromfluß in den Spulen wird dann aufgrund der Kraftwirkung der Magnetfelder auf
bewegte Ladungen eine Kraft auf die Tischplatte ausgeübt.
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Die Stromzuführung erfolgt über Schleppkabel. Für die Bewegung der
Tischplatte in zwei Koordinaten x, y werden jeweils zwei entgegengesetzt polarisierte
Dauermagneten für jede Koordinate in einer Reihe auf einer ferromagnetischen Grundplatte
oder einem ferromagnetischen Teilstück der Grundplatte angeordnet.
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Die minimale Länge der einzelnen Magnetpolflächen lMp ist durch die
Größe des vorgesehenen Verfahrweges Sv in dieser Koordinate und der benutzten Spulenstrangbreite
bs nach der Beziehung = 5v + b5 festgelegt. Die Magnetpolbreite bMP, die Magnethöhe
hM und die Luft spalthöhe hL wird entsprechend der notwendigen mit einem bestimmten
Strom durchflossenen Leiterlänge, die sich für eine bestimmte Kraft Im Bereich einer
bestimmten magnetischen Induktion befinden muß, nach der bekannten Beziehung F =
B . 1 1 gewählt. Auf der ferromagnetischen Grundplatte bzw. dem ferromagnetischen
Teilstück der Grundplatte ist über jedem Dauermagnetpaar entgegengesetzter Polarität
ein ferromagnetisches Rückschlußteil angeordnet. In den Luft spalten zwischen den
Dauermagnetpaaren und den ferromagnetischen Rückschlüssen befinden sich die in der
beweglichen Tischplatte befestigten rechteckigen Spulen mit weit über die Magnete
ragenden Spulenköpfen.
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Die minimale Länge der Spulenköpfe ls Min 1 wird durch die Größe des
halben Verfahrweges V2 der zur Kraftwirkungsrichtung der betreffenden Spulenstränge
senkrechten Koordinate, der Spulenstrangbreite bs und der Größe der inneren Spulenkopfradien
rs nach der Beziehung 15 Min 1Ä> # + bS + r5 bestimmt.
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Die Spulen sind in bekannter Weise in einer nichtinagnetisierbaren
beweglichen kreuzförmigen Tischplatte befestigt, die mit
Gleitfüßen
versehen ist und Aussparungen neben den der Tischmitte zugewandten kraftwirksamen
Spulensträngen mindestens in der Größe des Querschnittes der Rückflußstücke zuzüglich
der vorgesehenen Verfahrwege besitzt. In der Tischmitte ist ein Objektträgerteil
aus strahlungsdurchlässigem Werkstoff, z. B. Glas, angeordnet und in zwei Ecken
der kreuzförmigen Tischplatte sind Liniengitter tragende Rasterplatten in einer
Ebene senkrecht zueinander befestigt. Diese Rasterplatten werden durch Lichtquellen
beleuchtet, mit optoelektronischen Empfängern abgetastet und liefern inkrementale
Ortssignale für einen angeschlossenen Lageregler, der die Ortssignale mit den zugeführten
Steuersignalen vergleicht und entsprechend den notwendigen Bewegungen zur Erreichung
der Sollposition die entsprechenden Spulen an vorhandene Gleichspannungsquellen
entsprechender Polarität äquivalent der auftretenden Regelabweichung mit verschieden
langer lmpulszeit anschließt. Die Lageinformation kann aber auch über ein an sich
bekanntes Laserwegmeßsystem oder andere inkrementelle Geber gewonnen werden, wobei
dann auf der Tischplatte nur die Laserinterferometerspiegel oder andere inkrementelle
Geberplatten angeordnet werden und die Meßwertverarbeitung außerhalb des Tisches
erfolgt und keine Massebelastung ergibt.
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Zur Vergrößerung der erzeugten Kraft, zur Kompensation bzw. zur Erzeugung
von Drehmomenten zur Verhinderung bzw. Erzeugung von Drehbewegungen geringer Größe
werden mindestens vier Spulen mit den kraftwirksamen Spulensträngen zur Tischmitte
in zwei parallelen Kraftwirkungslinien für jede Koordinate x, y in der Tischplatte
und die entsprechenden Dauermagnetpaare auf einer ferromagnetischen Grundplatte
oder entsprechenden ferromagnetischen Teilstücken der Grundplatte angeordnet. Die
Stromstärke in den Spulen wird dann durch den Lageregler so eingestellt, daß je
nach der vorhandenen Bewegungsaufgabe eine zentrisch wirkende Summenkraft oder ein
Drehmoment auf die Tischplatte ausgeübt wird.
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Zum Erreichen einer großen Feinfühligkeit der Drehmomentenkompensation
oder zur Erzeugung großer Drehmomente mit kleinen Kräften bei geringer Spuranzahl
werden jeweils zwei Spulen und
die entsprechenden Dauermagnete
in zwei parallelen Kraftwirkungslinien mit den nichtkraftwirksamen Spulenköpfen
zur Tischmitte für jede Koordinate x, y benutzt. Die Stromstärke wird auch in den
Spulen entsprechend der vorhandenen Bewegungsaufgabe geregelt. Die ferromagnetische
Grundplatte und die Tischplatte ist vorzugsweise kreuzförmig ausgebildet und die
Rasterplatten sind in der Nähe der Tischmitte angeordnet.
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Zur Kompensation oder zur Erzeugung von Drehmomenten und zur Erzeugung
der Zweikoordinatenbewegung mit geringem Spulenaufwand werden insgesamt nur drei
Spulen und drei Dauermagnetpaare, vorzugsweise unter einem Winkel von 120 °, auf
einer ferromagnetischen Grundplatte oder ferromagnetischen Teilstücken dieser Grundplatte
von sechseckiger Form angeordnet. Der Tisch ist auf nur drei Gleitfüßen gelagert.
Zur Verringerung der Tischplattenabmessungen sind die Rasterplatten in zwei Spulenkernen
befestigt.
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Die Ströme in den Spulen werden entsprechend den Bewegungsaufgaben
geregelt.
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Zur besseren Ausnutzung der Spulen zur Krafterzeugung durch Wegfall
der Spulenkopfbreiten und der Hälfte der Spulenkopfanzahl wird die Kraftwirkung
an der Tischplatte durch nur eine rechteckige Spule in Verbindung mit jeweils zwei
in einer Kraftwirkungslinie befindlichen Gleichstrommagneten auf einer nichtferromagnetischen
Grundplatte erzeugt. Die minimale äußere Abmessung einer Seite der rechteckigen
Spule ist entsprechend dem Verfahrweg in der zur Kraftrichtung dieses Spulenstrages
senkrechten Koordiante Svl , der doppelten Spulenstrangbreite 2 b5, dem doppelten
Radius der äußeren Spulenstrangbegrenzung an den Ecken 2 rSE und der Spulenstranglänge
entsprechend der Magnetpolbreite bMp des Gleichstrommagneten durch die Beziehung
lsä 1 = Sv; + 2 bs + 2 rSE + bp bestimmt. Durch entsprechend der notwendigen Bewegungsrichtung
geartete Umschaltung der Stromrichtung sowohl in der Spule als auch in den Gleichstrommagneten
wird jede Koordinate innerhalb
des Bewegungsbereiches erreicht.
Die Drehmomentenkompensation erfolgt durch Zuschaltung eines oder zweier zur ersten
Kraftwirkungsrichtung senkrecht angeordneter Gleichstrommagnete.
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Tischplatte und nichtferromagnetische Grundplatte sind rechteckig
und die Rasterplatten sind an zwei Ecken des Tisches gegenüber befestigt.
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Zur weiteren Vergrößerung der erzeugten Kraft und zur Drehmomentenkompensation
oder Drehmomentenerzeugung mit nur einer rechteckigen Spule werden mindestens vier
Elektromagneten in zwei parallelen Kraftwirkungslinien für jede Koordinate x, y
auf einer nichtmagnetisierbaren rechteckigen Grundplatte angeordnet. Die minimale
äußere Abmessung einer Seite der recht-.
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eckigen Spule ist entsprechend lSä.1 vergrößert um den Abstand 1A
zwischen den Gleichstrommagneten einer Spulenstrangseite und aller Magnetpolbreiten
bXpG dieser Seite nach der Beziehung lsä 2 = SVI + 2 bs + 2 rSE + bMPG + lA bestimmt,
Die Tischplatte ist rechteckig mit an den Ecken vorhandenen Verstärkungen für die
Aufnahme der Gleitfüße und die Rasterplatten sind in der Nähe der strahlungsdurchlässigen
Obj ektträgerplatte angeordnet.
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Zur Verringerung des Aufwandes an Gleichstrommagneten bei Verwendung
nur einer Spule werden drei Gleichstrommagnete auf einer nichtmagnetisierbaren Grundplatte
angepaßter Abmessung unter einem Winkel von vorzugsweise 120 ° zueinander angeordnet.
Die Spule hat die Borm eines nichtgleichseitigen Sechsecks mit einer Mindestlänge
der äußeren kraftwirksamen langen Spulenstränge, die durch die Magnetpolbreite bM~,
dem vierfachen Verfahrweg 4 Sv und etwa dem dritten Teil des vierfachen äußeren
Radius an den Ecken 4 rSE nach der Beziehung lsä 3 # bMp + 4 Sv + 4 rSE 3 bestimmt
wird. Die Tischform ist der Spule angepaßt und die drei Gleitfüße werden in Tischverstärkungen
an den kurzen Seiten
der Spule befestigt. Die Rasterplatten befinden
sich in zwei Tischecken innerhalb der Spulenbegrenzung. Durch den Lageregler werden
Spule und Gleichstrommagneten entsprechend der Positionieraufgabe mit Spannung versorgt.
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Völlig drehmomentenfreie Zweikoordinatenschrittmotore werden durch
Verwendung gekrümmter oder als Polygonzug ausgebildeter Spulen realisiert. Der Krummungsradius
aller kraftwirksamen Spulenteile entspricht immer dem jeweiligen Abstand der einzelnen
Lage der Spule vom Zentrum der Tischplatte oder der Polygonzug ist diesem Radius
beliebig fein angepaßt. Bei Anwendung von nur zwei Polygonzugabschnitten zur Annäherung
des genannten Radiuses liegt die Knickstelle des Polygonzuges in der Mitte der kraftwirksamen
Spulenstranglänge und der Abstand der einzelnen Lagen der Spule von der Tischmitte
entspricht an dieser Stelle auch dem genannten Radius der idealen Krümmung. Die
Spulenkopflänge ist auch durch die Beziehung Vs@ ls min 1# 2 + bs + rs bestimmt.
Mit diesen gekrümmten oder als Polygonzug ausgebildeten Spulen werden für jede Koordinate
x, y nur eine Spule und ein entgegengesetzt polarisiertes Dauermagnetpaar benötigt,
die senkrecht zueinander auf einer angepaßt geformten ferromagnetischen .Grundplatte
angeordnet sind. Die Magnetpollänge lMpR muß um die Höhe des kraftwirksamen Spulenkreisabschnittes
verlängert werden. Die Tischplatte, die die beiden Spulen trägt, benötigt nur drei
Gleitfüße und die Rasterplatten sind in der Nähe der Tischmitte angeordnet, wo sich
die Objektträgerplatte befindet. Die Aussparungen für die Tischplattenbewegung besitzen
die Größe und Lage wie bei ungekrümmten Spulen.
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Zur Vergrößerung der zentrischen Kräfte am Tisch werden mindestens
zwei Paare von gekrümmten oder Polygonzugspulen und entgegengesetzt polarisierte
Dauermagnetpaare in
einer Kraftwirkungslinie für jede Koordinate
x, y in der Tischplatte bzw. auf der ferromagnetischen Grundplatte bzw. den ferromagnetischen
Teilstücken der Grundplatte angeordnet. Die Tischplatte ist dann kreuzförmig ausgebildet,
besitzt vier Gleitfüße, in zwei gegenüberliegenden Ecken sind die Rasterplatten
angeordnet und die Aussparungen haben Lage und Größe wie bei Verwendung ungekrümmter
Spulen.
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Zur Verringerung des Spulenaufwandes und der Masse des Tisches bei
drehmomentenfreien Zweikoordinatenschrittmotoren wird nur eine kreisförmige Spule
oder Teile davon in einer kreisförmigen oder kreisabschnittförmigen Tischplatte
in Verbindung mit nur jeweils einem Gleichstrommagnet in jeder Koordinate x, y auf
einer nichtferromagnetischen Grundplatte genutzt. Die Form der Grundplatte ist der
Lage der Gleichstrommagnete und der Gleitlagerung'der Tischplatte angepaßt. Die
Tischplatte trägt innerhalb der Spule an Verstärkungen drei Gleitfüße und Objektträger-
und Rasterplatten an speichenartigen Verstrebungen.
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Für eine Erhöhung der erzeugten drehmomentenfreien Kraft werden zwei
Gleichstrommagneten in einer Kraftwirkungslinie für jede Koordinate x, y auf einer
rechteckigen nichtmagnetisierbaren Grundplatte befestigt und in deren Luftspalten
eine kreisförmige Spule, die in einer kreisförmigen Tischplatte befestigt ist, angeordnet.
Die Tischplatte ist auf vier Gleitfüßen gelagert und die Rasterplatten sind außerhalb
der Spule an der Tischplatte befestigt.
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Zur Vermeidung der Nachführung von Schleppkabeln und nichtzentrisch
am Tisch wirkender Kräfte wird eine Spulenanordnung von mindestens einer rechteckigen
Spule für je eine Koordinate x, y auf einer ferromagnetischen Grundplatte angepaßter
Form befestigt. Mit der Grundplatte ist ein
Rückschlußdeckel so
verbunden, daß über den Spulen ein Luftspalt bleibt. In diesem Luftspalt ist eine
nichtmagnetische bewegliche Tischplatte angeordnet, in der mindestens ein, vorzugsweise
mehrere Dauermagnetpaare mit Eagneten entgegengesetzter Polarität über den festen
Spulen für jede Koordinatenrichtung x, y angeordnet sind. Die Rückschlußplatte hat
über der Tischplatte Druckluftzuführungen für eine fluide Lagerung der Tischplatte.
Bei vorzugsweise kreuzförmiger Tischplattenform ist die minimale Breite bST Min
der Kreuzstege des Tisches durch die Druckluftzuführungsflächenbreite bDF bestimmt
nach der Beziehung bST Min r.¼# 2 bDp, damit der Tisch nicht aus dem Wirkungsbereich
des Luftpolsters der fluiden Lagerung kommt. Die Magnetpollänge lMp wird durch den
vorgesehenen Verfahrweg 5v und die Spulenstrangbreite bs nach der Beziehung lMP
= Sv + bs festgelegt. Die Magnetpolbreite und die Magnethöhe wird durch die für
das Erreichen einer geforderten Dynamik in Verbindung mit der vorhandenen Tischplatten-
und Objektmasse notwendigen Kraft bei dem gewählten Dauermagnetmaterial bestimmt.
Die Spulenlänge wird zur Vermeidung von Kräften senkrecht zur Antriebsrichtung durch
die Spulenkopfquerstränge und den von den Magneten ausgehenden Streuflüssen größer
als die Summe von Magnetpolbreite bXp, dem Verfahrweg der zur Kraftwirkungsrichtung
der betreffenden Spule senkrechten Koordinate Svl, der doppelten Spulenstrangbreite
2 bs und der doppelten Magnethöhe 2 hM nach der Beziehung ls Min 2# bMp + SV# +
2 bs + 2 hM festgelegt. Die den Magneten zugewandte Seite des Rückschlußdeckels
besitzt eine Kunststoffbeschichtung, vorzugsweise RUFE, zur Verringerung der Anziehungskräfte
und
des Verschleißes bei Abschaltung der Druckluft. Die Abschaltung
der Druckluft ermöglicht gleichzeitig die magnetische Klemmung der Tischplatte als
Arretierung gegen von außen auf die Tischplatte wirkende Kräfte während der Stillstandephasen.
Der Rückschlußdeckel besitzt außer seinen vier Befestigungsstegen an den Seiten
noch zwei Flußführungsstrecken für die nahe der Mitte des Tisches liegenden Magnete,
damit durch die entgegengesetzte Polung der Magnete in gleichen Flußpfaden keine
entgegengesetzt gerichtete magnetische.< Flüsse auftreten. Die Rasterplatten
für die optoelektronische Signalgewinnung sind symmetrisch zu diesen zusätzlichen
Flußführungsstrecken angeordnet. In der Mitte des Rückscklußdeckels, des Tisches
und der Grundplatte befinden sich strahlungsdurchlässige Öffnungen, wobei in der
Tischmitte die Objektträgerplatte, z. B. aus Glas, angeordnet ist.
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Zur Verringerung des Aufwandes für die Lagerung des Tisches wird
eine Lagerung auf Gleitfüßen, die zwischen den entgegengesetzt polarisierten Dauermagneten
oder zentrisch zur Tischplattenmitte an anderen geeigneten Orten angeordnet sind,
benutzt. Die Erhöhung der Reibung wird zur Schwingungsdämpfung durch Verwendung
von PTFE oder anderer geschwindigkeitsabhängige Reibung aufweisender Kunststoffe
an den Gleitfüßen ausgenutzt. Die ferromagnetische Rückschlußplatte besitzt statt
der Kunststoffbeschichtung an der Unterseite nur eine besonders glatte Oberfläche
an den vorgesehenen Gleitflächen. Die Tischplatte kann jetzt für minimale Masseverhältnisse
kreuzförmig so ausgebildet werden, daß nur die Magnete, die Objektträgerplatte und
die Rasterplatten in einer Ebene genau geführt werden können.
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Die Erfindung ist im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen näher
erläutert. In den beiligenden Zeichnungen wird gezeigt: Fig. 1 Prinziplösung eines
Zweikoordinatenschrittmotors im Schnitt AA mit zwei in einer beweglichen Tischplatte
befestigten Spulen in einer Kraftwirkungslinie für jede Koordinate x, y und festen
Permanentmagneten Fig. 2 Schnitt BB zu Fig. 1 Fig. 3 Zweikoordinatenschrittmotor
im Schnitt AA mit vier in einer beweglichen ischpla-ste befestigten Spulen in zwei
parallelen Kraftwirkungslinien für jede Koordinate x, y und festen Permanentmagneten
Fig. 4 Schnitt BB zu Fig. 3 Fig. 5 Zweikoordinatenschrittmotor im Schnitt AA mit
zwei in einer beweglichen Tischplatte befestigten Spulen in zwei parallelen Kraftwirkungslinien
für jede Koordinate x, y und festen Permanentmagneten Fig. 6 Teilansicht C zu Fig.
5 Fig. 7 Schnitt BB zu Fig. 5 Fig. 8 Zweikoordinatenschrittmotor im Schnitt AA mit
drei in einer beweglichen Tischplatte befestigten Spulen unter einem Winkel von
120 ° und festen Permanentmagneten Fig. 9 Schnitt BB zu Fig. 8
Fig.
10 Zweikoordinatenschrittmotor im Schnitt AA mit einer in einer beweglichen Tischplatte
befestigten Spule und zwei Gleichstro.mmagneten in einer Kraftwirkungsrichtung für
jede Koordinate x, y Fig. 11 Schnitt BB zu Fig. 10 Fig. 12 Zweikoordinatenschrittmotor
in Schnitt AA mit einer in einer beweglichen Tischplatte befestigten Spule und vier
Gleichstro.mmagneten in zwei parallelen Kraftwirkungslinien in jeder Koordinate
x, y Fig. 13 Schnitt BB zu Fig. 12 Fig. 14 Zweikoordinatenschrittmotor mit 3 teilweise
abgeschnittenen Gleichstrommagneten unter 120 ° und einer in einer beweglichen Tischplatte
befestigten nichtgleichseitigen Sechseckspule Fig. 15 Zweikoordinatenschrittmotor
im Schnitt AA mit je einer in einer beweglichen Tischplatte befestigten Spule mit
gekrümmten Spulensträngen für jede Koordinatenrichtung x, y und festen Permanentmagneten
Fig. 16 Schnitt BB zu Fig. 15 Fig. 17 Zweikoordinatneschrittmotor mit teilweise
abgeschnittenen Rückschlußstücken und zwei in einer beweglichen Tischplatte befestigten
Spulen mit gekrümmten Spulensträngen in jeder Koordinatenrichtung x, y und festen
Permanentmagneten Fig. 18 Zweikoordinatenschrittmotor mit je einem teilweise abgeschnittenem
Gleichstrommagneten für jede Koordinate x, y und einer in einer beweglichen Tischplatte
befestigten kreisförmigen Spule
Fig. 19 Zweikoordinatenschrittmotor
mit je zwei teilweise abgeschnittenen Gleichstrommagneten für jede Koordinate x,
y und einer in einer beweglichen Tischplatte befestigten kreisförmigen Spule Fig.
20 Zweikoordinatenschrittmotor im Schnitt AA mit vier Permanentmagneten in jeder
Koordinatenrichtung x, y in einer fluid gelagerten Tischplatte über festen Spulen
Fig. 21 Schnitt BB zu Fig. 20 Fig. 22 Zweikoordinatenschrittmotor im Teilschnitt
AA mit vier Permanentmagneten in jeder Koordinatenrichtung x, y in einer gleitgelagerten
Tischplatte über festen Spulen Fig. 23 Schnitt BB zu Fig. 22 Nach Fig. 1 und Fig.
2 ist ein Zweikoordinatenschrittmotor dargestellt. Auf einer ferromagnetischen Grundplatte
1 sind jeweils zwei Paare von entgegengesetzt polarisierten Dauermagneten 2 in jeder
Koordinate x, y und deren ferromagnetische Rückschlußteile 3 angeordnet. In den
Luft spalten zwischen Dauermagneten 2 und Rückschlußteilen 3 ist ein mit Gleitfüßen
5 auf einer Gleitfläche 8 gelagerte Tischplatte 6 angeordnet, in der zwei rechteckige
Spulen 4 für jede Koordinatenrichtung x, y so befestigt sind, daß bei Stromfluß
in diesen Spulen 4 eine Kraft auf die Tischplatte 6 ausgeübt wird. Die Länge der
Spulenköpfe ls Min 1 ist so zu bemessen, daß die kraftwirksamen Spulenstränge während
der Bewegung nie aus dem Bereich der magnetischen Induktion der Dauermagnete 2 gelangen
können. Neben den der Tischmitte zugewandten Spulensträngen sind in der Tischplatte
6 Aussparungen von mindestens der Größe des Querschnittes der Jpulenrückflußstücke,
vergrößert um den vorgesehenen Verfahrweg in der entsprechenden Koordinate. In der
Mitte der Tischplatte 6 ist eine Objektträgerplatte
7 aus strahlungsdurchlässigem
Werkstoff, z. B. Glas, vorhanden und in zwei gegenüberliegenden Ecken der kreuzförmigen
Tischplatte 6 sind Rasterplatten 9, 10 senkrecht zueinander in einer Ebene angeordnet,
die mit einer Lichtquelle 11 beleuchtet und mit Fotoempfängern 12 abgetastet werden.
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Die dabei gewonnene inkrementale Lage information wird einem Lageregler
zum Vergleich mit zugeführten Steuersignalen zugeführt und dann entsprechend der
gegebenen Bewegungsaufgabe die einzelnen Spulen 4 an Spannungsquellen entsprechender
Polarität mit der notwendigen Impulsdauer angeschlossen.
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Nach Fig. 3 und Fig. 4 ist ein Zweikoordinatenschrittmotor# in veränderter
Ausführung von Fig. 1 und Fig. 2 dargestellt.
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Zur Vergrößerung der erzeugten Kraft, zur Kompensation oder zur Erzeugung
von Drehmomenten werden vier Spulen 4 in zwei parallelen Kraftwirkungslinien für
jede Koordiante x, y mit den kraftwirksam n Spulensträngen der Tischplattenmitte
zugewandt, in der fischplatte 13 befestigt und diese in den Luft spalten zwischen
Dauermagneten 2 und Rückschlußteil 3 zur Wirkung gebracht. Die Dauermagnete 2 sind
auf einer rechteckigen ferNomagnetischen Grundplatte befestigt. Die Tischplatte
13 trägt in der Mitte die Objektträgerplatte 7, außen zwischen den nebeneinanderliegenden
Spulen die Gleitfüße 5 und entsprechend geformte Aussparungen für die Tischbewegung.
Die Gl itfüße laufen auf Gleitflächen 8. Mit den durch Lichtquellen 11 und Fotoempfänger
12 von den Rasterplatten 9, 10 gewonnenen Lage informationen wird die Regelung der
Stromimpulse in ten einzelnen Spulen 4 so vorgenommen, daß entweder entsteh nde
Drehmomente kompensiert oder, wenn gewünscht, verstärkt werden.
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Fig. 5, Fig. 6 M d Fig. 7 zeigen einen Zweikoordinatenschrittmotor,
bei dem zur Erhöhung der Feinfühligkeit der Drehmomentenkompensation bzw zur Erzeugung
großer Drehmomente mit kleinen Kräften bei minimalem Spulenaufwand jeweils
zwei
Spulen 4 in zwei parallelen Kraftwirkungslinien mit den nichtkraftwirksamen Spulenköpfen
der Tischmitte zugewandt in der beweglichen Tischplatte 21 für jede Koordinate x,
-y angeordnet sind. Die Tischplatte 21 und die ferromagnetische Grundplatte 20 sind
kreuzförmig ausgebildet. Die Dauermagneten 2 und die Rückschlußteile 3 sind an den
Enden der kreuzförmigen Grundplatte 20 befestigt. In den Ecken der Tischplatte 21
sind die Gleitfüße 5 angeordnet, die auf den Gleitflächen 8 laufen. Die Tischplatte
21 trägt in der Mitte die Objektträgerplatte 7 und daneben die Rasterplatten 9,
10, die wieder mit den Lichtquellen 11 und den Fotoempfängern 12 die Lageinformation
für den Regelkreis liefern.
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Fig. 8 und Fig. 9 zeigen einen Zweikoordinatenschrittmotor, bei dem
zur Kompensation oder zur Erzeugung von Drehmomenten mit geringem Spulen- und Magnetaufwand
drei Dauermagnetpaare 2 und die dazugehörigen Rückschlußteile 3 unter 120 ° auf
einer sechseckigen ferromagnetischen Grundplatte 22 so befestigt werden, daß eine
auf den Gleitfüßen 5 und den Gleitflächen 8 gelagerte sternförmige Tischplatte 23
mit den Spulen 4 so verbunden wird, daß die nichtkraftwirksamen Spulenköpfe der
Tischmitte zugewandt sind, wo sich die Objektträgerplatte 7 befindet. Zur Verringerung
der Masse der Tischplatte 23 sind die Rasterplatten 9, 10 in zwei Spulenkernen befestigt,
wo sie mit den Lichtquellen 11 und den Fotoempfängern 12 die inkrementale Lagelnformation
erzeugen, die zur Stromsteuerung der Spulen 4 dient.
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Fig. 10 und Fig. 11 zeigen einen Zweikoordinatenschrittmotor, bei
dem zur besseren Ausnutzung des Spulenkupfers zur Krafterzeugung nur eine rechteckige
Spule 28 in Verbindung mit jeweils zwei Gleichstrommagneten, bestehend aus Spule
26 und Kern 25, für jede Koordinatenrichtung x, y auf einer nichtmagnetisierbaren
Grundplatte 24 benutzt wird. Die Tischplatte 27 besitzt rechteckige Grundform und
hat an den Ecken Verstärkungen bzw Erweiterungen für die Befestigung der Gleitfüße
5,
die auf den Gleitflächen 8 laufen, und die Anordnung der Rasterplatten
9, 10, die durch die Lichtquellen 11 beleuchtet und die Fotoempfänger 12 zur inkrementalen
Lagesignalgewinnung abgetastet werden. In der Tischmitte ist die Objektträgerplatte
7 angeordnet. Bei nichtzentrisch am Tisch entstehenden Kräften werden jeweils zur
ersten Bewegungsrichtung senkrechte Kraftwirkungen in der Spule auslösende Gleichstrommagnete
25, 26 entsprechender Polarität eingeschaltet, um Drehmomente zu kompensieren.
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Fig. 12 und Fig. 13 zeigen einen Zweikoordinatenschrittmotor, bei
dem zur besseren-Kompensation oder zur wirksameren Erzeugung von Drehmomenten im
Zusammenwirken von nur einer rechteckigen Spule 28 mit vier Gleichstrommagneten,
bestehend aus Spule 26 und Kern 25, in zwei parallelen Kraftwirkungsrichtungen für
jede Koordinate x, y auf einer rechteckigen nichtmagnetisierbaren Grundplatte 30
angeordnet werden. Die Tischplatte 29 ist rechteckig und hat an den Ecken Verstärkungen
für die Aufnahme der Gleitfüße 5, die auf den Gleitflächen 8 laufen. In der Tischmitte
befindet sich die Objektträgerplatte 7 und daneben die Rasterplatten 9, 10, die
von Lichtquellen 11 beleuchtet und von Fotoempfängern 12 zur Gewinnung des inkrementalen
Lagesignals abgetastet werden. Die Stromsteuerung in der Spule und in den Gleichstrommagneten
25, 26 erfolgt entsprechend der vorliegenden Bewegungsaufgabe.
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Fig. 14 zeigt einen Zweikoordinatenschrittmotor, bei dem zur Verringerung
des Aufwandes an Gleichstrommagneten bei Verwendung nur einer Spule 32 drei Gleichstrommagneten,
die aus Spule 26 und Kern 25 bestehen, unter 120 ° auf einer angepaßt geformten
nichtmagnetisierbaren Grundplatte 31 angeordnet werden. Die Spule 32 hat die Form
eines nichtgleichseitigen Sechsecks und die Tischplatte 47 hat entsprechende Form.
An den kurzen Seiten der Tischplatte 47 sind die Gleitfüße 5 angeordnet, die auf
den Gleitflächen 8 laufen. In der Tischmitte ist
die Objektträgerplatte
7 und in zwei Tischecken sind innerhalb der Spule 32 die Rasterplatten 9, 10 zur
inkrementalen Signalgewinnung angeordnet.
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Fig, 15 und Fig. 16 zeigen einen Zweikoordinatenschrittmotor, bei
dem zur Erzeugung drehmomentenfreier Antriebskräfte je eine gekrümmte Spule 17 für
jede Koordinatenrichtung x, y in einer angepaßt geformten Tischplatte 15 über je
einem Paar entgegengesetzt polarisierter Dauermagneten 2, die auf einer geeignet
geformten ferromagnetischen Grundplatte 16 befestigt sind, angeordnet ist. Der Krümmungsradius
aller kraftwirksamen Spulenteile ist gleich dem Abstand der einzelnen Spulenlagen
vom Zentrum der Tischplatte 15, wobei das Zentrum durch den Tischplattenschwerpunkt
bestimmt wird. Die Tischplatte 15 hat neben den der Tischmitte zugewandten Spulensträngen
Aussparungen für den Durchtritt der Rückschlußstücke 3 und de.n vorgesehenen Verfahrweg,
an drei um ca. 120 ° versetzten Orten sind Gleitfüße 5 angebracht, die auf den Gleitflächen
8 laufen, in der Tischplattenmitte ist die Objektträgerplatte 7 und daneben sind
die Rasterplatten 9, 10, die durch die Lichtquellen 11 beleuchtet und die Fotoempfänger
12 abgetastet werden, angeordnet.
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Fig. 17 zeigt einen Zweikoordinatenschrittmotor, bei dem zur Erzeugung
größerer drehmomentenfreier Antriebskräfte für jede Koordinatenrichtung x, y zwei
gekrümmte Spulen 17 in einer kreuzförmigen Tischplatte 18 über je einem entgegengesetzt
polarisierten Paar von Dauermagneten 2 angeordnet sind, wobei die übrigen Punktionsorgane
ähnlich wie in Fig. 1 angeordnet sind.
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Fig. 18 zeigt einen Zweikoordinatenschrittmotor, bei dem zur Verringerung
des Spulenaufwandes bei der Erzeugung drehmomentenfreier Antriebskräfte nur eine
kreisförmige Spule 34 in einer kreisförmigen Tischplatte 37 verwendet wird und die
sich in den Luftspalten je eines Gleichstraimnagneten, bestehend aus
Spule
26 und Kern 25, für jede Koordinatenrichtung x, y, die auf einer nichtmagnetisierbaren
Grundplatte 36 befestigt sind, befindet. Die Tischplatte 37 ist äußerst massearm
gestaltet und trägt an speichenartigen Verstrebungen in der Tischmitte die Objektträgerplatte
7, die Rasterplattenanordnung 9, 10 und die Tischgleitlagerung 5.
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Fig. 19 zeigt einen Zweikoordinatenschrittmotor, bei dem zur Erzeugung
größerer drehmomentenfreier Kräfte und besserer Spulenausnutzung bei Verwendung
nur einer kreisförmigen Spule 34 in einer kreisförmigen Tischplatte 35 diese sich
in den Luft spalten von zwei Gleichstrommagneten, be#stehend aus Spule 26 und Kern
25, für jede Koordinatenrichtung x, y, die auf einer rechteckigen nicht.magnetisierbaren
Grundplatte 33 befestigt sind, befindet. Am Rande der kreisförmigen Tischplatte
35 sind die Gleitfüße 5 und die Rasterplatten 9, 10 für die optoelektronische Signalgewinnung
befestigt.
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Fig. 20 und Fig. 21 zeigen einen Zweikoordinatenschrittmotor, bei
dem zur Vermeidung von Schleppkabeln und zur Erzeugung von drehmomentenfreien Antriebskräften
an der kreuzförmigen Tischplatte 30 eine Spulenanordnung von je zwei Rechteckspulen
4 für jede Koordinatenrichtung x, y auf einer ferromagnetischen Grundplatte 38 angepaßter
achteckiger Form befestigt ist. Mit der Grundplatte 38 ist ein Rückschlußdetkel
42 verbunden, der über den Spulen 4 einen Luftspalt frei läßt, in dem eine kreuzförmige
Tischplatte 30 angeordnet ist, die in jedem Kreuzsteg über den Rechteckspulen 4
ein entgegengesetzt polarisiertes Paar von Dauermagneten 2 besitzt und in deren
Tischmitte sich die Objektträgerplatte 7 befindet. Der Rückschlußdeckel 42 besitzt
außer seinen vier Befestigungsstegen zur Grundplatte 38 noch zwei besondere Flußführungsstrecken
44 für die nahe der Tischmitte liegenden Dauermagnete 2. Die Unterseite des Rückschlußdeckels
42 ist mit einer Kunst stoffschicht 41, z. B. PUPPE, beschichtet und an der Oberseite
sind Druckluftzuführungen 43 vorhanden, die die Druckluft
zu den
Yerteilungskanälen im Rückschlußdeckel 42 leitet.
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Zwischen den Spulen 4 auf der ferromagnetischen Grundplatte 38 befinden
sich nichtmagnetisierbare Ausfüllteile 39. In zwei Ecken der Tischplatte 30 sind
die Rasterplatten 9, 10 befestigt, die von den Lichtquellen 11 beleuchtet und mit
den Potoempfängern 12 abgetastet werden.
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Sig. 23 zeigt einen Zweikoordinatenschrittmotor in veranderter Ausführung
von Fig. 22 in vergrößertem Ausschnitt. Zur Verringerung der Masse der Tischplatte
45 und des Aufwandes für ihre Lagerung werden Gleitfüße 5 in den Kreuz stegen der
Tischplatte 45 zwischen den entgegengesetzt polarisierten Dauermagneten 2 angeordnet
und kommen durch die magnetische Anziehungskraft mit den metallischen Gleitflächen
an der Unterseite des Rückschlußdeckels 46 in Kontakt und bilden so die Gleitpaarung,
die die Luftlagerung ersetæt.