DE4108317A1 - Vorrichtung zum positionieren mit einer vielzahl von freiheitsgraden - Google Patents
Vorrichtung zum positionieren mit einer vielzahl von freiheitsgradenInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum
Positionieren mit einer Vielzahl von Freiheitsgraden, insbe
sondere solche Vorrichtung zum Positionieren, die eine
Manipulatorstange besitzen, um einen Gegenstand zu einer ge
wünschten Position und Ausrichtung mit einer angemessenen
Einhaltung vorgegebener Werte zu bewegen, wie sie in einer
automatisierten Fertigungsstraße zum Bestücken und Zusammen
setzen von gerichtet orientierten Teilen, wie z. B. vielen
elektronischen Bauteilen benutzt werden, oder wie sie be
nutzt werden, um eine Feinpositionierung auf einem Werktisch
vorzunehmen.
Derartige Geräte zum Feinpositionieren mit einer Vielzahl
von Freiheitsgraden sind bereits vorgeschlagen worden, wie
z. B. an der US-PS 48 74 998 zu sehen ist, um ein Bewegen eines
Gegenstandes in einer Vielzahl von Freiheitsgraden mit einer
geeigneten Einhaltung vorgegebener Werte zu kontrollieren.
Das Patent beschreibt eine hexagonal bewegliche Einheit und
eine statorunterstützende Einheit zum magnetischen Schweben
lassen der beweglichen Einheit. Die Statoreinheit besitzt
einen entsprechend geformten doppelten Randabschnitt, in dem
die hexagonal bewegliche Einheit eingelassen ist und trägt
sechs Paare von Permanentmagneten, die am Umfang des
doppelten Randabschnittes beanstandet voneinander im Zu
sammenwirken mit sechs Leiterschleifen, die um die hexa
gonal bewegliche Einheit herum vorgesehen sind, beabstandet
angebracht sind.
Jede der Leiterschleifen ist innerhalb eines Magnetspaltes,
der zwischen den Permanentmagneten in jedem Paar geformt
wird, vorgesehen, so daß die Leiterschleifenfelder, die
durch das elektrische Anschalten der entsprechenden Leiter
schleifen entstehen, mit den entsprechenden magnetischen
Feldern an dem Spalt wechselwirken, um Translationskräfte
und Drehkräfte entlang und um drei jeweils rechtwinklig
zueinander verlaufende Achsen herum zu erzeugen. Eine End-
Ausführeinrichtung wird auf der beweglichen Einheit ge
tragen, um die beabsichtigte Arbeit auszuführen. Das Gerät,
das in diesem Patent beschrieben wird, ist jedoch relativ
unhandlich insbesondere in radialer Richtung der beweglichen
Einheit aufgrund der doppelten Randabschnittsstruktur der
Statoreinheit und aufgrund der am Umfang beabstandet von
einander angebrachten Magnete auf diesem doppelten Randab
schnitt.
Eine andere Druckschrift, die US-PS 46 02 848, beschreibt einen
Stand der Technik anhand eines Gerätes zur Fein
positionierung in einer Vielzahl von Freiheitsgraden, die
eine Permanentmagnetmanschette als beweglichen Teil des
Gerätes aufweist, und zwei Sätze von Statorleiterschleifen,
die an den axialen Enden der Manschette jeweils in
parallelen Quer-Ebenen angebracht sind. Die Stator-Leiter
schleifen werden mit elektrischer Spannung versehen, um mit
dem externen Feld der Magnetmanschette in Umkehrrichtung
zusammenzuwirken, um eine Reaktionskraft zu erzeugen, die
auf die Magnetmanschette wirkt, um sie in drei jeweils
rechtwinklig zueinander verlaufenden Achsen, inklusive einer
Achse der Magnetmanschette selber, zu bewegen, und sie um
zwei der drei Achsen zu rotieren, wobei die Achse der Mag
netmanschette ausgenommen ist. In dieser Patentschrift
werden die Statorleiterschleifen radial außerhalb der Mag
netmanschette vorgesehen, wobei sie die Radialdimension des
Gerätes vergrößern. Daher kann dieses Patent auch keine
kompakte Struktur, insbesondere in radialer Richtung um eine
der Hauptachsen, die durch die bewegliche Einheit oder die
Magnetmanschette des Gerätes festgelegt wird, schaffen.
Das obengenannte Problem wird in der vorliegenden Erfindung
gelöst, die eine einzigartig aufgebaute Vorrichtung zum
Feinpositionieren in einer Vielzahl von Freiheitsgraden
schafft. Die Vorrichtung zum Positionieren nach der vor
liegenden Erfindung weist eine Manipulatorstange auf, die
dazu eingerichtet ist, einen Gegenstand mit einer ge
wünschten Position und Ausrichtung zu bewegen, und die eine
Hauptachse der Vorrichtung festlegt. Jeweils an den axialen
Enden der Achse der Manipulatorstange sind zwei beabstandete
Gruppen von Stator-Magnetelementen vorgesehen, die
mindestens einen Permanentmagneten umfassen, die miteinander
zusammenwirken, um ein magnetisches Feld zu erzeugen, das
sich im wesentlichen axial entlang der Manipulatorstange
erstreckt. Die Manipulatorstange trägt zwei axial beab
standete Gruppen von beweglichen Leiterschleifen, die im
wesentlichen in parallelen Querebenen zwischen den Gruppen
von Stator-Permanentmagneten liegen. Jede der beweglichen
Leiterschleifen hat ihren wesentlichen Abschnitt zwischen
liegend zwischen den zwei axial beabstandeten Gruppen von
Stator-Magnetelementen, so daß die Leiterschleifen
individuelle Leiterschleifenfelder produzieren, die mit den
korrespondierenden Magnetfeldern zusammenwirken, um Lorentz
kräfte zu entwickeln, die auf die Manipulatorstange wirken,
um zwei Translationsbewegungen entlang zweier orthogonaler
Achsen rechtwinklig zu der Hauptachse der Manipulatorstange
und drei Drehbewegungen um die drei jeweils orthogonalen
Achsen herum zu bewirken. Demzufolge können die Gruppen der
Statormagnetelemente und die Gruppen der beweglichen Leiter
schleifen axial entlang der Hauptachse der Vorrichtung in
einer sich überlagernden Art angeordnet werden, die dazu
beiträgt, wesentlich die radialen Dimensionen der Vor
richtung um ihre Hauptachse zu vermindern.
Demzufolge ist es vorrangiges Ziel der vorliegenden Er
findung, eine Vorrichtung zum Feinpositionieren mit einer
Vielzahl von Freiheitsgraden zu schaffen, die sich dazu
eignet, in einer kompakten Struktur mit verringerten
radialen Dimensionen um die Hauptachse der Vorrichtung ge
baut zu werden.
Vorzugsweise weist jede Gruppe von den Stator-Permanent
magneten vier Permanentmagnete auf, die voneinander beab
standet am Umfang rund um die Manipulatorstange, innerhalb
einer Querebene derart angebracht sind, daß jeder der
Permanentmagnete in einer Gruppe axial mit einem korrespon
dierenden Permanentmagneten der anderen Gruppe ausgerichtet
ist, um vier im wesentlichen separate magnetische Felder zu
schaffen, die voneinander beabstandet am Umfang um die Mani
pulatorstange herum und im wesentlichen sich axial zwischen
den zwei Gruppen von Permanentmagneten erstreckend, be
finden. Die Permanentmagnete werden so magnetisiert, daß
die vier Magnetfelder jeweils die entgegengesetzte Richtung
des benachbarten haben. Jede Gruppe von beweglichen Leiter
schleifen beinhaltet vier bewegliche Leiterschleifen, die um
die Manipulatorstange herum im wesentlichen in einer Quer
ebene vorgesehen sind. Jede bewegliche Leiterschleife ist so
geformt, daß sie einander entgegenliegende Abschnitte be
sitzt, in denen ein sie mit Spannung versorgender Strom in
entgegengesetzten Richtungen fließt. Die vier beweglichen
Leiterschleifen in jeder Gruppe sind derart angeordnet, daß
jede Leiterschleife ihre entgegengesetzten Abschnitte die
zwei benachbarten magnetischen Felder von entgegengesetzer
Richtung durchqueren läßt, bzw., so daß die entgegenge
setzten Abschnitte jeder Leiterschleife die Lorentzkraft
im wesentlichen in der gleichen Richtung empfangen. Somit
kann jedes magnetische Feld benutzt werden, um mit den zwei
benachbarten Leiterschleifen wechselzuwirken, um die
Manipulatorstange effizient anzutreiben, zusätzlich zu
diesem können die beweglichen Leiterschleifen eng benachbart
in der Ebene mit den Abschnitten sich einander überlappend
angeordnet werden.
Es ist daher ein anderes Ziel der vorliegenden Erfindung,
eine Vorrichtung zum Positionieren mit einer Vielzahl von
Freiheitsgraden zu schaffen, die sowohl einer verbesserten
Effizienz der elektromagnetischen Betätigung der Mani
pulatorstange fähig ist, als auch die Möglichkeit bietet,
die beweglichen Leiterschleifen in einer eng benachbarten
Beziehung zueinander innerhalb eines begrenzten Raumes anzu
ordnen und dadurch eine kompaktere Anordnung des Gerätes
sicherzustellen.
Eine Gruppe von vier Magnetstücken, die in einer Quer
ebene zwischen den beiden Gruppen von Stator-Permanentmag
neten angeordnet sind, kann in die Vorrichtung aufgenommen
werden. Jedes Magnetstück ist in jedem der vier einzelnen
Magnetfelder angeordnet, um acht Magnetspalte zwischen den
vier Magnetstücken und den zwei Gruppen von vier Permanent
magneten zu schaffen, so daß zwei Gruppen von vier beweg
lichen Leiterschleifen jeweils in den acht magnetischen
Spalten angeordnet werden, durch die sich die Magnetfelder
im wesentlichen axial erstrecken. Die Magnetstücke, die Per
manentmagnete sein können, wirken um die magnetischen
Felder, die mit den Leiterschleifenfeldern zusammenwirken,
zu stärken, um dadurch die magnetische Effizienz dieser zu
vergrößern, was daher ein weiteres Ziel der vorliegenden
Erfindung ist.
In einer bevorzugten Ausführung wird ein Elektromagnet in
die Vorrichtung eingefügt, der an dem axialen Ende der Mani
pulatorstange angebracht ist und relativ zu der Gruppe der
Stator-Permanentmagnete befestigt ist. Der Elektromagnet
beinhaltet Anregeleiterschleifen-Mittel und einen Anker, der
mit einem Ende der Manipulatorstange verbunden ist, so daß
die Manipulatorstange dazu gezwungen wird, sich beim selek
tiven Anschalten von den Anregeleiterschleifen-Mitteln axial
zu bewegen. Damit ist der Elektromagnet ursächlich für eine
hinzugefügte translatorische Bewegung der Manipulatorstange
entlang ihrer Hauptachse, so daß die Vorrichtung sechs Frei
heitsgrade der Bewegung besitzen kann. Der Natur des Elek
tromagneten gemäß, ist es sehr einfach, eine relativ starke
Kraft im Vergleich zu den Lorentzkräften zu erhalten. Daher
ist die Hinzufügung des Elektromagneten insbesondere dann
vorteilhaft, wenn von dem Manipulator gefordert wird, daß er
eine relativ starke Kraft ausübt, um einen Gegenstand ent
lang der Hauptachse zu bewegen, sowie z. B. beim Einfügen
eines Gegenstandes in eine entsprechende Ausnehmung entlang
der Achse oder um eine vermehrte Einhaltung vorgegebener
Werte zu erreichen.
Daher ist es wiederum ein weiteres Ziel der vorliegenden
Erfindung, eine Vorrichtung zum Positionieren mit einer
Vielzahl von Freiheitsgraden zu schaffen, in der ein
Elektromagnet zusätzlich vorhanden ist, um die elektromag
netische Kraft dazu zu nutzen, eine Translationsbewegung nur
entlang einer der Hauptachsen der Vorrichtung zu bewirken,
während die anderen Translationsbewegungen entlang den
anderen beiden orthogonalen Achsen und die drei Drehbe
wegungen um die drei Achsen aus den Lorentzkräften herge
leitet werden können.
Alternativ kann eine andere lineare Gleichstrom-Verstellein
richtung anstelle des Elektromagneten hinzugefügt werden, um
eine Lorentzkraft zum Bewirken einer Translationsbewegung
der Manipulatorstange entlang ihrer Achse zu bewirken.
Solche linearen Gleichstromverstelleinrichtungen beinhalten
Permanentmagnetmittel und eine Leiterschleifeneinheit, die
mit dem Ende der Manipulatorstange verbunden ist. Die Per
manentmagnetmittel sind relativ zu einer Gruppe der Per
manentmagneten fixiert und bewirken ein magnetisches Feld,
das mit der Leiterschleifeneinheit zusammenwirkt, um eine
solche Lorentzkraft zu bewirken, die auf die Leiter
schleifeneinheit wirkt, um die Manipulatorstange axial zu
sammen mit der Leiterschleifeneinheit unabhängig von den
magnetischen Feldern, die durch die Gruppen von beweglichen
Leiterschleifen erzeugt werden, zu bewegen. Außerdem ist es
mit dieser Anordnung einfach möglich, die Stärke der
Lorentzkraft, die zur Translationsbewegung der Manipulator
stange entlang ihrer Achse aufgebracht wird, zu variieren
und anzupassen unabhängig von den Kräften, die für die
anderen Translationsbewegungen und Drehbewegungen aufge
bracht werden.
Es ist daher ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung,
eine Vorrichtung zum Positionieren mit einer Vielzahl von
Freiheitsgraden zu schaffen, die fähig ist, separat die
Translationsbewegungen der Manipulatorstange entlang ihrer
Achse unabhängig von den anderen Translations- und Ro
tationsbewegungen anzupassen.
Anstelle des Elektromagneten oder der linearen Gleichstrom
verstelleinrichtung kann die Vorrichtung eine mechanische
Feder beinhalten, die mit der Manipulatorstange verbunden
ist, um eine mechanische Einhaltung vorgegebener Werte in
ihrer axialen Richtung zu bewirken.
Die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung beinhaltet Meß
mittel, die die Position und Ausrichtung der Manipulator
stange messen und eine Meßmittelausgabe, die die Position
und Orientierung der Manipulatorstange anzeigt, ausgeben.
Die Meßmittelausgabe wird zu Kontrollmitteln geleitet, die
die Energiezufuhr zu den Leiterschleifen steuern, um Trans
lations- und Rotationsbewegungen der Manipulatorstange ent
lang und um die drei jeweils rechtwinklig zueinander ver
laufenden Achsen zu bewirken und sie zu einer gewünschten
Position zu bewegen oder sie in einer Position mit einer
geeigneten Einhaltung vorgegebener Werte zu halten.
Diese und weitere Inhalte und vorteilhaften Merkmale der
vorliegenden Erfindung werden in der folgenden Beschreibung
der Ausführungsbeispiele und anhand der beiliegenden Zeich
nung verdeutlicht. Dabei zeigt:
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer
eher schematischen Darstellung einer
Vorrichtung zum Positionieren mit
einer Vielzahl von Freiheitsgraden
entsprechend einem ersten Aus
führungsbeispiel der vorliegenden
Erfindung,
Fig. 2 eine perspektivische Zeichnung eines
Montageroboters an den eine Vor
richtung zum Positionieren ent
sprechend der vorliegenden Erfindung
befestigt ist, um Teile an ein Ge
häuse oder ähnliches zu montieren,
Fig. 3 eine perspektivische Ansicht in einer
eher schematischen Darstellung einer
Vorrichtung zum Positionieren, wobei
ein Elektromagnet entfernt wurde,
Fig. 4 eine vertikale Schnittansicht in
eher schematischer Darstellung der
Positionierungsvorrichtung,
Fig. 5 eine perspektivische Ansicht der
Manipulatorstange mit zwei axial
beabstandeten Gruppen von beweglichen
Leiterschleifen, wie sie in der
Positionierungsvorrichtung benutzt
werden,
Fig. 6 eine schematische Draufsicht, die
den Zusammenhang zwischen einer
Gruppe von beweglichen Leiter
schleifen und einer korrespon
dierenden Gruppe von vier Permanent
magneten der Vorrichtung zeigt,
Fig. 7 eine perspektivische Ansicht in einer
detaillierteren Darstellung der Vor
richtung zum Positionieren,
Fig. 8 eine perspektivische Ansicht in einer
detaillierteren Darstellung der Posi
tionierungsvorrichtung, wobei ein
Teil herausgeschnitten würde,
Fig. 9 eine perspektivische Explosionsdar
stellung der Vorrichtung zum Posi
tionieren, wobei die beweglichen
Leiterschleifen und anderen Teile
stark vereinfacht dargestellt sind,
Fig. 10 und 11 perspektivische Ansichten und Drauf
sichten, die die Verbindung der vier
beweglichen Leiterschleifen zu der
Manipulatorstange der Vorrichtung
zum Positionieren verdeutlichen,
Fig. 12 eine Vertikalschnittansicht in eher
schematischer Darstellung einer Vor
richtung zum Positionieren, die mit
einer linearen Gleichstrom-Verstell
einrichtung entsprechend einer
zweiten Ausführung der vorliegenden
Erfindung ausgestattet ist,
Fig. 13 und 14 vertikale und horizontale Schnittdar
stellungen der linearen Gleichstrom-
Verstelleinrichtung der Fig. 12 und
Fig. 15 eine vertikale Schnittansicht in
einer ziemlich schematischen Dar
stellung einer Vorrichtung zum Posi
tionieren, die mit einer mechanischen
Feder entsprechend in einem dritten
Ausführungsbeispiel der vorliegenden
Erfindung ausgestattet ist.
In Fig. 1 ist eine Vorrichtung zum Positionieren mit einer
Mehrzahl von Freiheitsgraden nach einem ersten Ausführungs
beispiel der vorliegenden Erfindung dargestellt. Die Vor
richtung zum Positionieren PD beinhaltet eine Manipulator
stange 20 die einen Gegenstand 1, wie z. B. ein elek
tronisches Bauteil, zum Einfügen, Einbau oder Montieren in
oder auf einem Körper tragt. In Fig. 1 wird die Manipulator
stange 20 gezeigt, wie sie darstellungshalber den Gegenstand
1 in eine Fassung 3 des Körpers 2 einfügt. Um eine Fein
positionierung des Gegenstandes vorzunehmen, wird beab
sichtigt, die Manipulatorstange 20 in einer Vielzahl von
Freiheitsgraden zu bewegen. Das bedeutet, die Manipulator
stange 20 wird derart angetrieben, daß sie sich entlang
einer Achse der Manipulatorstange 20 und entlang zweier
anderer Achsen rechtwinklig zu der Achse der Manipulator
stange bewegt und sich um diese drei jeweils rechtwinklig
zueinander stehenden Achsen dreht. In der Beschreibung wird
das x-y-z-Koordinatensystem benutzt, um die Bewegung der
Vorrichtung zu verdeutlichen, wobei die z-Koordinate durch
die Manipulatorstangenachse definiert wird und x- und y-
Koordinaten in einer Querebene rechtwinklig zur z-Ko
ordinatenachse liegen. Daher ist die Vorrichtung ausgelegt,
drei Kräfte Fx, Fy und Fz entlang dreier Koordinatenachsen
(x, y, z) und ebenso drei Drehkräfte oder Drehmomente Tx, Ty
und Tz zum Bewirken dreier Translationsbewegungen und dreier
Rotationsbewegungen der Manipulatorstange 20 entlang und um
die drei Koordinatenachsen, (x, y, z) zu bewirken.
Wie in Fig. 2 gezeigt wird, ist die Vorrichtung PD im Be
trieb, z. B. an dem Ende eines Betriebsarmes 11 eines Mon
tageroboters 10 befestigt, so daß der Betriebsarm 11 eine
Grobpositionierung vornimmt, während die Vorrichtung PD eine
Feinpositionierung mit einer gewünschten Einhaltung vorgege
bener Werte vornimmt. In dieser Figur wird weiterhin die
Vorrichtung PD gezeigt, wie sie einen Gegenstandsteil 1 aus
einer Palette 5 entnimmt und dann das Gegenstandsteil 1 in
die Fassung 3 eines Zielkörpers oder Gehäuses 2 in Zusammen
wirken mit der Grobpositionierung des Betriebsarmes 11 ein
fügt oder montiert. Zu diesem Zweck ist die Manipulator
stange 20 an ihrem unteren Ende mit einem Futter 21 ver
sehen, um den Gegenstand 1 zu greifen und wird so gesteuert,
daß sie sich in einer oder mehreren Freiheitsgraden inner
halb einer gewünschten Einhaltung vorgegebener Werte bewegt.
Die Vorrichtung PD beinhaltet ein axial beabstandetes Paar
von Basisplatten 30 und 31 aus einem magnetischen Material,
die eine Stator-Einheit darstellen, die mit dem Betriebsarm
11 des Roboters 10 unterstützt wird. Die Basisplatten 30
und 31 sind in parallelen Querebenen vorgesehen und mit
zentralen Öffnungen 32 und 33, wie sie in den Fig. 3 und 4
zu erkennen sind, durch die die Manipulatorstange 20 sich
mit Spiel erstreckt, versehen, so daß sie relativ zu der
Stator-Einheit in allen Freiheitsgraden beweglich ist. An
der oberen Basisplatte 30 ist ein Elektromagnet 40 be
festigt, der, wie am besten in Fig. 4 dargestellt, aus axial
beanstandeten Kernen 41, mit entsprechenden Leiterbahn
wicklungen 42 besteht. Ein plattenförmiger Anker 43, der mit
dem oberen Ende der Manipulatorstange 20 verbunden ist, ist
zwischen die Kerne 41, zwischengelegt, um magnetisch zum
oberen und unteren Kern 41 aufgrund jeweiliger Spannungszu
fuhr zu den Leiterbahnwicklungen 42 angezogen zu werden,
wodurch eine Translationskraft Fz, die auf die Manipulator
stange 20 wirkt, um sie entlang der z-Koordinaten
Achsenrichtung zu bewegen oder eine erwünschte Einhaltung
vorgegebener Werte in dieser Richtung zu geben, erzeugt
wird.
Jede der Basisplatten 30 und 31 ist rechtwinklig ausgebildet
und trägt an ihrer Innenfläche eine Gruppe von vier
Permanentmagneten 51 bis 54 und 61 bis 64 an den vier Eckab
schnitten, so daß die vier Permanentmagneten am Umfang, um
die Manipulatorstangenachse oder die z-Koordinatenachse
gleichmäßig beabstandet sind, während ein freier zentraler
Abschnitt freigelassen wird, indem der Manipulatorstange 20
erlaubt wird, sich in der x-y-Ebene zu bewegen. Die Per
manentmagneten 51 bis 54 und 61 bis 64 in jeder Gruppe
werden axial mit entgegengesetzter Polarisierung in Relation
zu den jeweils Benachbarten magnetisiert. Die Permanentmag
neten 51 bis 54 in der oberen Gruppe werden axial ent
sprechend mit den Permanentmagneten 61 bis 64 in der unteren
Gruppe in magnetisch entgegengesetzter Beziehung ausge
richtet, so daß zwischen den beabstandeten Gruppen von
Permanentmagneten vier im wesentlichen voneinander getrennte
magnetische Felder erzeugt werden, die jeweils im Hinblick
auf die benachbarten eine entgegengesetzte Richtung auf
weisen, und sich im wesentlichen entlang der Achse der
Manipulatorstange 20 erstrecken. Zwischenliegend zwischen
den Gruppen von Permanentmagneten 51 bis 54 und 61 bis 64
ist eine Gruppe von vier Magnetstücken 71 bis 74 vorgesehen,
die voneinander beabstandet rund um die Achse der Mani
pulatorstange 20 herum in einer Querebene vorgesehen sind.
Diese magnetischen Stücke 71 bis 74, die Permanentmagnete
sein können, werden axial zu den Permanentmagneten in den
oberen und unteren Gruppen ausgerichtet, so daß sie auf
halbem Weg zwischen den vier separaten magnetischen Feldern
angeordnet sind, wodurch eine Gesamtzahl von acht mag
netischen Spalten sich ergibt, vier mit den Permanentmag
neten 51 bis 54 in der oberen Gruppe und vier mit den Per
manentmagneten 61 bis 64 in der unteren Gruppe. Eine Gruppe
von Permanentmagneten kann durch einen entsprechenden Satz
von magnetischen Elementen ersetzt werden, sofern solche
magnetischen Elemente mit der anderen Gruppe von Permanent
magneten zusammenwirken, um gleiche axial sich erstreckende
magnetische Felder zu erzeugen. Weiter kann jede Gruppe von
Permanentmagneten in eine einheitliche Struktur zusammenge
setzt werden, die ringartig angeordnet voneinander beab
standete magnetische Pole besitzt.
Die Manipulatorstange 20 besteht aus nicht magnetischem
Material und trägt zwei Gruppen von beweglichen Leiter
schleifen 24, wobei jede Gruppe aus vier beweglichen Leiter
schleifen zusammengesetzt ist, die unabhängig voneinander
durch elektrische Ströme mit Spannung versorgt werden
können. Die Manipulatorstange 20 und die beweglichen Leiter
schleifen 24a bis 24h definieren eine bewegliche Einheit,
die magnetisch freischwebend relativ zur Stator-Einheit
vorgesehen ist. Die vier beweglichen Leiterschleifen 24a bis
24d (24e bis 24h) in jeder Gruppe sind um die Manipulator
stange 20 herum angeordnet, im wesentlichen innerhalb einer
Ebene quer zu deren Achse, wie in Fig. 5 dargestellt. Obwohl
die Leiterschleifen 24 in einer sehr schematisierten Dar
stellung in Fig. 5 dargestellt werden, sind sie jede in der
Art einer flachen Luftkernspule mit normalerweise recht
winkliger Leiterbahnausbildung mit entgegengesetzten
parallelen Seitensegmenten und einem Endsegment, das die
beiden Seitensegmente verbindet, versehen. Die Leiter
schleifen 24a bis 24d (24e bis 24h) in jeder Gruppe sind um
einen Winkel von 90° um die Manipulatorstange 20 herum
derartig versetzt, daß die diametral gegenüberliegenden
Leiterbahnen 24 die jeweiligen Endsegmente in einer engen
parallelen Beziehung zueinander und jede Leiterbahn 24 ihre
entgegengesetzten Seitensegmente in einer die entsprechenden
Seitensegmente der benachbarten Leiterbahnen 24 kreuzenden
Weise besitzt. Die derartig zusammengesetzte bewegliche
Einheit ist mit der Statoreinheit in einer derartigen Art
verbunden, daß die vier Leiterbahnen 24a bis 24d (24e bis
24h) in jeder Gruppe ihre wesentlichen Abschnitte zwischen
den Gruppen der magnetischen Stücke 71 bis 74 und den
unteren und oberen Gruppen der Permanentmagneten 51 bis 54
und 61 bis 64 besitzen, wie in den Fig. 1, 3 und 4 darge
stellt wird, und daß jede Leiterbahn 24 ihre entgegenge
setzten Seitenelemente die beiden benachbarten Magnetspalten
jeweils queren läßt, wie am besten in Fig. 6 dargestellt
ist. Zum Beispiel, wenn ein die Leiterschleife mit Spannung
versorgender Strom i in der unteren Leiterschleife 24b der
Fig. 6 in einer gegen den Uhrzeigersinn gerichteten
Richtung, die durch einen Pfeil dargestellt ist, fließt,
führen die einander gegenüberliegenden Seitensegmente den
Strom in entgegengesetzten Richtungen. Da die gegenüber
liegenden Seitensegmente der Leiterschleife 24b in den be
nachbarten magnetischen Spalten, die korrespondierenden
magnetischen Felder von entgegengesetzter Polarität durch
laufen, wird die Leiterschleife 24b an dem jeweiligen
Seitensegment Lorentzkräfte gleicher Richtung, wie sie von
den dickeren Pfeilen angezeigt werden, erfahren. Daher wird
durch ein selektives Betreiben der Leiterschleifen 24 in
einer geeigneten Art und Weise die Manipulatorstange 20
magnetisch derart angetrieben, daß sie sich entlang der x-
und y-Koordinatenachsen bewegt und sich um die x-, y- und z-
Koordinatenachsen dreht. In diesem Sinn kann von der Mani
pulatorstange 20 gesagt werden, daß sie fünf Freiheitsgrade
aufgrund des Lorentzkraft-Verstellsystems besitzt. Das be
deutet, daß die Lorentzkräfte, die durch die Wechselwirkung
der entsprechenden Leiterschleifenfelder entstehen, mit den
entsprechenden magnetischen Feldern summiert werden, um die
Translationskräfte Fx und Fy entlang der x- und y-Ko
ordinatenachsen und die Drehkräfte Tx, Ty und Tz entlang der
x-, y- und z-Koordinatenachsen zu bewirken, wodurch die
Position der Manipulatorstange 20 mit einer gewünschten
Einhaltung vorgegebener Werte in einem oder mehr der fünf
Freiheitsgrade festgelegt wird. Im einzelnen werden die
Translationsbewegungen und Rotationsbewegungen durch die
Vektorsummation der Lorentzkräfte, die an den ausgewählten
Leiterbahnen nach den folgenden Relationen ausgeübt werden,
bestimmt.
Translation entlang der x-Koordinatenachse:
Die Vektorsumme der Lorentzkräfte, die an den einzelnen Leiterschleifen 24b, 24d, 24f und 24h entstehen.
Die Vektorsumme der Lorentzkräfte, die an den einzelnen Leiterschleifen 24b, 24d, 24f und 24h entstehen.
Translation entlang der y-Koordinatenachse:
Die Vektorsumme der Lorentzkräfte, die an den einzelnen Leiterschleifen 24a, 24c, 24e und 24g entstehen.
Die Vektorsumme der Lorentzkräfte, die an den einzelnen Leiterschleifen 24a, 24c, 24e und 24g entstehen.
Rotation um die x-Koordinatenachse:
Die Vektorsumme der Lorentzkräfte, die an den axial beab standeten Leiterschleifen 24a, 24c und den Leiter schleifen 24e und 24g entstehen.
Die Vektorsumme der Lorentzkräfte, die an den axial beab standeten Leiterschleifen 24a, 24c und den Leiter schleifen 24e und 24g entstehen.
Rotation um die y-Koordinatenachse:
Die Vektorsumme der Lorentzkräfte, die an den axial beab standeten Leiterschleifen 24b, 24d, 24f und 24h ent stehen.
Die Vektorsumme der Lorentzkräfte, die an den axial beab standeten Leiterschleifen 24b, 24d, 24f und 24h ent stehen.
Rotation um die z-Koordinatenachse:
Die Vektorsumme der Lorentzkräfte, die an den Leiter bahnen 24a bis 24h entstehen.
Die Vektorsumme der Lorentzkräfte, die an den Leiter bahnen 24a bis 24h entstehen.
Hier ist zu bemerken, daß, da die beiden Gruppen der Per
manentmagneten 51 bis 54 und 61 bis 64 und die beiden
Gruppen von beweglichen Leiterbahnen 24 sich in axialer
Richtung der Manipulatorstange 20 überlagern, die Vor
richtung kompakt in radialer Richtung hergestellt werden
kann. Weiter erlaubt die obige Leiterschleifenanordnung eine
enge Verteilung der Leiterschleifen um die Manipulator
stangenachse, die zu einer weiteren Verbesserung der Kom
paktheit der Vorrichtung beiträgt, und die mit den vier im
wesentlichen getrennten magnetischen Feldern dazu beiträgt,
eine erhöhte magnetische Ergiebigkeit zum Positionieren der
Manipulatorstange 20 in den fünf Freiheitsgraden zu er
reichen.
Obwohl nicht in den Zeichnungen dargestellt, enthält die
Vorrichtung eine Kontrolleinrichtung, die die in Spannungs
versorgung der einzelnen Leiterschleifen 24a bis 24h in der
Art einer Rückkopplung steuert, um die obigen zwei Trans
lationsbewegungen entlang der x- und y-Koordinatenachse und
die Rotationsbewegungen um die x-, y- und z-Koordinaten
achsen zu bestimmen. Zu diesem Zweck werden Sensoren 91 bis
95 zusätzlich vorgesehen, um Ausgaben, die die Position und
die Ausrichtung der Manipulatorstange 20 anzeigen, zu er
zeugen. Diese Sensoren beinhalten zwei Sensoren 91 und 92 in
der oberen Gruppe, zwei Sensoren 93 und 94 in der unteren
Gruppe und einen Grundsensor 95, die axial voneinander beab
standet sind, wie in den Fig. 1, 3, 8 und 9 dargestellt
ist. Jeder Sensor ist ein optischer Distanzsensor oder etwas
ähnliches und fest auf der Stator-Einheit montiert und mit
seinem Sensorende zu einem entsprechenden Spiegel 91A bis
95A, der auf der Manipulatorstange 20 befestigt ist, ausge
richtet, wie in Fig. 9 dargestellt wird, um die ent
sprechende Distanz zu messen. Der Spiegel 95A für den Grund
sensor 95 ist auf dem Futter 21 befestigt, das mit dem Ende
des Manipulatorschaftes 20 verbunden ist, dargestellt. Die
Sensoren 91 bis 94 sind zu den Basisplatten 30 und 31
mittels Klammern 35, die die Permanentmagneten 51 bis 54, 61
bis 64 sowie die magnetischen Stücke 71 bis 74 an ihrem Ort
in Relation zu den Basisplatten 30 und 31 halten, befestigt,
wie in den Fig. 7 und 8 dargestellt. Der Grundsensor 95
ist in ähnlicher Weise auf die untere Basisplatte 31 mittels
einer zusätzlichen Klammer 36 montiert. Die gemessenen
Distanzen an den einzelnen Sensoren werden zusammengesetzt,
um eine Ausgabe zu erhalten, die die Position und Orien
tierung der Manipulatorstange 20 in den fünf Freiheitsgraden
relativ zu der Stator-Einheit anzeigt. Obwohl die Sensoren
91 und 92 in der oberen Gruppe und diejenigen 93 und 94 in
den Fig. 1, 3 und 9 als in der gleichen Querebene liegend
gezeigt werden, so geschieht dies für schematische
Illustrierungszwecke, in Wirklichkeit sind sie, wie in Fig.
8 gezeigt wird, aufgrund der strukturellen Begrenzungen im
Hinblick auf die physische Verbindung der beweglichen
Leiterschleife 24a und 24h zu der Manipulatorstange 20, die
im Detail im folgenden diskutiert werden, in axialer
Richtung gestaffelt. Die Meßmittelausgabe wird zu einer
Kontrolleinrichtung zum Steuern der die Energie zuführenden
Ströme zu den einzelnen beweglichen Leiterschleifen 24a bis
24h geleitet, um die Manipulatorstange 20 zu einer ge
wünschten Position zu bewegen, oder sie in einer geeigneten
Position mit einer gewünschten Einhaltung vorgegebener Werte
in mindestens einem von fünf Freiheitsgraden zu halten. Ein
zusätzlicher Sensor 96 ist an dem oberen Ende der Vor
richtung vorgesehen, um sich vertikal durch den oberen Kern
41 des Elektromagneten 40 zu erstrecken, wobei sein
Sensorende auf einen entsprechenden Spiegel 96a auf der
Oberseite des Ankers 43 gerichtet ist, um die Auslenkung der
Manipulatorstange 20 in der z-Koordinatenachsenrichtung zu
erfassen. Der Sensor 96 ist in der Mitte der Abdeckplatte 44
zur oberen Basisplatte 30 mittels Pfosten 45, die den
Elektromagneten 40 zwischen sich halten befestigt, wie in
den Fig. 7 und 8 dargestellt. Die Ausgabe des Sensors 96
wird auch zu der Kontrolleinrichtung geleitet, so daß die
Kontrolleinrichtung antworten kann, indem sie den Elektro
magneten 40 betreibt, um die Translationsbewegung der Mani
pulatorstange 20 in ihrer axialen Richtung in Verbindung mit
der obigen Kontrolle in den fünf Freiheitsgraden zu steuern.
In diesem Sinne kann gesagt werden, daß die Vorrichtung als
ein Ganzes sechs Freiheitsgrade besitzt, einen aus der
magnetischen Anziehungskraft des Elektromagneten 40 und fünf
andere aus den Lorentzkräften an den beweglichen Leiter
schleifen 24a bis 24h. Es ist in diesem Zusammenhang darauf
hinzuweisen, daß, da die Manipulatorstange 20 durch den
Elektromagneten 40 angetrieben wird, um sich entlang ihrer
axialen Richtung zu bewegen, es leicht möglich ist, die An
ziehungskraft des Elektromagneten 40 zu vergrößern, um eine
vergrößerte Translationskraft auf die Manipulatorstange 20
entlang ihrer Achse unabhängig von den anderen Kräften und
Drehmomenten auszuüben. Dies ist insbesondere dann vorteil
haft, wenn die Manipulatorstange 20 dazu benutzt wird, ihre
Achse in Übereinstimmung mit der Richtung des Einsetzens
eines Gegenstandes dort zu haben, wo eine erhöhte Trans
lationskraft notwendig ist, um den Gegenstand entlang der
Achse einzufügen. Weiter kann, durch die Verwendung des
Elektromagneten 40 für die Translationsbewegung der Mani
pulatorstange 20, die Translationskraft in dieser Richtung
mit einer Vergrößerung der horizontalen Dimension des Ankers
43 ohne Hinzufügung einer zusätzlichen axialen Dimension des
Elektromagneten 40 erreicht werden, was dazu beiträgt, die
axiale Länge der gesamten Vorrichtung minimal zu halten.
Wie in den Fig. 7, 8 und 9 gezeigt wird, ist jede der be
weglichen Leiterschleifen 24a bis 24h eine flache Luftkern
leiterschleife mit einer Anzahl von Windungen, die in einer
horizontalen Ebene ausgeführt sind. Die Endsegmente jeder
Leiterschleife 24 sind um einen rechten Winkel gebogen und
in einen Schlitz 26 eingefügt, der sich axial in die Mani
pulatorstange 20 erstreckt, um damit in physischen Kontakt
zu treten, wie in Fig. 10 gezeigt, indem zwei entgegenge
setzte Leiterschleifen 24 ihre Endsegmente aufwärts gebogen
in einer aneinanderstoßenden Beziehung zueinander besitzen,
und die anderen beiden gegenüberliegenden Leiterschleifen 24
ihre Endsegmente nach unten gebogen in einer gleicherweise
aneinanderstoßenden Beziehung besitzen. Der Schlitz 26 be
sitzt im Querschnitt die Form eines Kreuzes, wie in Fig. 11
dargestellt, so daß die Endsegmente, die in der gleichen
Richtung gebogen sind, in den Schlitz 26 axial von denen,
deren Endsegmente in der entgegengesetzten Richtung gebogen
sind, beabstandet eingesetzt sind. Hierdurch wird erreicht,
daß die verbleibenden planaren Abschnitte der vier Leiter
schleifen in einer Gruppe eng gestapelt im wesentlichen
in einer Querebene angeordnet werden können.
Fig. 12 und 14 illustrieren eine Vorrichtung zum Positio
nieren in Übereinstimmung mit einem zweiten Ausführungsbei
spiel der vorliegenden Erfindung, die identisch zu dem
ersten Ausführungsbeispiel ist, außer, daß eine lineare
Gleichstromverstelleinrichtung 100, anstelle des Elektro
magneten 40, für die Translationsbewegung der Manipulator
stange 20 vorgesehen ist. Daher sind gleiche Teile durch
gleiche Bezugszeichen in den Figuren gekennzeichnet. Die
Verstelleinrichtung 100 beinhaltet einen Kern eines im
wesentlichen E-förmig geformten vertikalen Abschnitts mit
einem zentralen Kern 102 und einem Rand-Joch 103, das ihn
radial beabstandet umgibt. Ein Permanentmagnet 104 in Form
einer Manschette wird auf die innere Oberfläche des Rand-
Joches 103 angepaßt, um einen Luftspalt in Form eines ge
schlossenen magnetischen Feldes zwischen der Magnetmanschette
104 und dem zentralen Kern 102 zu bilden. Die Magnetman
schette 104 wird in radialer Richtung magnetisiert, um ein
radiales magnetisches Feld, um den zentralen Kern 102 herum
zu erzeugen. In den radialen Spalt ist ein Leiterschleifen
zylinder 105 mit einer Windung 106, die sich um den Zentral
kern 102 derartig herum erstreckt, daß die Windung 106 ein
Leiterschleifenfeld erzeugt, das mit dem magnetischen Feld
in dem Spalt wechselwirkt, um eine Lorentzkraft zu erzeugen,
die auf den Leiterschleifenzylinder 105 wirkt, um ihn verti
kal zu bewegen. Der Leiterschleifenzylinder 105 ist mit
einem oberen Ende der Manipulatorstange 20 verbunden, um
eine Translationsbewegung von dieser entlang ihrer Achse
oder der z-Koordinatenachse zu bewirken, wenn die Windung
106 mit Spannung versorgt wird. Die Windung 106 wird in Ver
bindung mit den beweglichen Leiterschleifen 24 durch die
gleiche Kontrolleinrichtung, die die Bewegungen der Mani
pulatorstange 20 mit einer geeigneten Einhaltung vorgege
bener Werte in sechs Freiheitsgraden insbesondere bein
haltend in Einhaltung vorgegebener Werte in der z-Ko
ordinatenrichtung mit verbesserter Kontrollmöglichkeit
durchführt, mit Spannung versorgt.
Fig. 15 stellt eine Vorrichtung zur Positionierung nach
einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
dar, die identisch mit dem ersten Ausführungsbeispiel ist,
außer, daß eine mechanische Feder 110 anstelle des Elektro
magneten vorgesehen ist, um eine geeignete Einhaltung vorge
gebener Werte in der Richtung der Manipulatorstange 20 ohne
positive Translationsbewegungen entlang dieser zu erzeugen.
In Fig. 5 werden gleiche Teile durch gleiche Bezugszeichen
wie in dem ersten Ausführungsbeispiel bezeichnet. Die
positive Translationsbewegung der Manipulatorstange 20 wird
durch den Betriebsarm 11 erreicht, an dem die Vorrichtung
angebracht ist, wie in Fig. 2 bereits gezeigt. Daher ist die
Vorrichtung dieses Ausführungsbeispiels eine Vorrichtung zum
Positionieren mit fünf Freiheitsgraden. Die mechanische
Feder 110, eine Druckfeder, ist zwischen dem unteren Ende
der Manipulatorstange 20 zwischen der unteren Basisplatte 31
und dem Flansch 28 oberhalb des Futters 21 befestigt, um
eine geeignete Einhaltung vorgegebener Werte, unabhängig von
den anderen Einhaltungen vorgegebener Werte die in einem
oder mehreren der fünf Freiheitsgrade erfolgen, zu schaffen.
Daher ist durch die Wahl einer mechanischen Feder mit einer
geeigneten Federkonstante es einfach möglich, die Einhaltung
vorgegebener Werte in der z-Koordinatenachsenrichtung unab
hängig von den anderen Bewegungen und Einhaltung vorgege
bener Werte für eine besondere Aufgabe der Manipulatorstange
20, z. B. zum Einfügen eines Gegenstandes in ein Zielgehäuse
entlang der z-Koordinate, anzupassen.
Die in der vorstehenden Beschreibung, den Ansprüchen
sowie der Zeichnung offenbarten Merkmale der Erfindung
können sowohl einzeln als auch in beliebigen Kombinationen
für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen
Ausführungsformen wesentlich sein.
Bezugszeichenliste
1 Gegenstand
2 Körper
3 Fassung
5 Palette
10 Montageroboter
11 Betriebsarm
20 Manipulatorstange
21 Futter
24 bewegliche Leiterbahnschleife
26 Schlitz
28 Flansch
30, 31 Basisplatte
32, 33 Öffnung
35, 36 Klammer
40 Elektromagnet
41 Kern
42 Windung
43 Anker
44 Abdeckplatte
45 Pfosten
51-54, 61-64 Permanentmagnet
71-74 Magnetstück
91-96 Sensor
100 lineare Gleichstrom-Verstelleinrichtung
102 zentraler Kern
103 Randjoch
104 Permanentmagnetmanschette
105 Leiterschleifenzylinder
106 Windung
110 mechanische Feder
2 Körper
3 Fassung
5 Palette
10 Montageroboter
11 Betriebsarm
20 Manipulatorstange
21 Futter
24 bewegliche Leiterbahnschleife
26 Schlitz
28 Flansch
30, 31 Basisplatte
32, 33 Öffnung
35, 36 Klammer
40 Elektromagnet
41 Kern
42 Windung
43 Anker
44 Abdeckplatte
45 Pfosten
51-54, 61-64 Permanentmagnet
71-74 Magnetstück
91-96 Sensor
100 lineare Gleichstrom-Verstelleinrichtung
102 zentraler Kern
103 Randjoch
104 Permanentmagnetmanschette
105 Leiterschleifenzylinder
106 Windung
110 mechanische Feder
Claims (14)
1. Vorrichtung zum Positionieren mit fünf Freiheitsgraden,
gekennzeichnet durch:
- - eine Manipulatorstange (20) um einen Gegenstand (1) in eine gewünschte Position zu bringen, wobei die Manipu latorstange (20) eine Achse der Vorrichtung festlegt,
- - zwei axial beabstandete Gruppen von Statormagnetelementen (51-54 und 61-64) mit wenigstens einem Permanentmagneten, wobei die zwei axial beabstandeten Gruppen von Statormag netelementen miteinander zusammenwirken, um im wesent lichen getrennte magnetische Felder entlang der axialen Richtung zwischen den Gruppen von Statormagnetelementen zu schaffen,
- - zwei axial beabstandeten Gruppen von elektrisch mit Spannung versorgten beweglichen Leiterschleifen (24), die auf der Manipulatorstange (20) getragen werden und im wesentlichen in parallelen Querebenen zwischen den Gruppen von Stator-Magnetelementen liegen,
- - wobei jede der beweglichen Leiterschleifen (24) ihren wesentlichen Abschnitt zwischen zwei axial beabstandeten Gruppen von Statormagnetelementen zwischenlegt, so daß die Leiterschleifen (24) jeweilige Leiterschleifenfelder produzieren, die mit den korrespondierenden magnetischen Feldern wechselwirken, um die Lorentz-Kräfte, die an der Manipulatorstange (20) angreifen, zu erzeugen, um zwei Translationsbewegungen entlang zweier zueinander orthogo naler Achsen senkrecht zu der Achse der Manipulatorstange (20) und drei Rotationsbewegungen um die drei zueinander orthogonalen Achsen zu bewirken.
2. Vorrichtung zum Positionieren mit fünf Freiheitsgraden,
insbesondere nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch:
- - eine Manipulatorstange (20) zum Bewegen eines Objekts (1) in eine gewünschte Position, wobei die Manipulator stange (20) eine Achse der Vorrichtung festlegt,
- - zwei axial beabstandete Gruppen von Stator-Permanentmag neten, die zusammenwirken, um im wesentlichen getrennte magnetische Felder, die sich entlang der axialen Richtung zwischen den Gruppen von Stator-Permanentmagneten er strecken, zu produzieren,
- - zwei axial beabstandete Gruppen von elektrisch mit Spannung versorgten beweglichen Leiterschleifen (24), die auf der Manipulatorstange (20) getragen werden und im wesentlichen in parallelen Querebenen zwischen den Gruppen von Stator-Permanentmagneten liegen,
- - wobei jede der beweglichen Leiterschleifen (24) ihren wesentlichen Abschnitt zwischen zwei axial beabstandete Gruppen von Statormagneten (51-54 und 61-64) zwischen legt, so daß die Leiterschleifen (24) individuelle Leiterscheifenfelder produzieren, die mit den korrespon dierenden Magnetfeldern wechselwirken, um die Lorentz- Kräfte, die auf die Manipulatorstange (20) wirken, zu erzeugen, um zwei Translationsbewegungen entlang zweier zueinander orthogonaler Achsen senkrecht zu der Achse der Manipulatorstangen und drei Rotationsbewegungen um die drei zueinander orthogonalen Achsen zu bewirken.
3. Vorrichtung zum Positionieren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß jede Gruppe von den Stator-Per
manentmagneten (51-54 und 61-64) vier Permanentmagnete ent
hält, die am Umfang beabstandet voneinander um die Manipula
torstangenachse innerhalb einer Querebene angeordnet sind,
so daß jeder dieser Permanentmagneten in einer Gruppe axial
mit einem entsprechenden dieser Permanentmagneten in der
anderen Gruppe ausgerichtet ist, um vier im wesentlichen
getrennte magnetische Felder, die voneinander beabstandet am
Umfang um die Achse und im wesentlichen axial zwischen die
sen Gruppen von Permanentmagneten erstrecken, wobei die vier
magnetischen Felder jeweils die entgegengesetzte Richtung in
Beziehung zu dem benachbarten haben, wobei jede dieser Grup
pen von beweglichen Leiterschleifen (24) vier bewegliche
Leiterschleifen (24a-d, 24e-h) aufweist, die am Umfang um
die Achse im wesentlichen innerhalb einer Querebene angeord
net sind, wobei jede bewegliche Leiterschleife (24) entge
gengesetzte Abschnitte aufweist die einen sie unter Spannung
setzenden Strom in entgegengesetzten Richtungen aufweisen
und die vier beweglichen Leiterschleifen in jeder Gruppe so
angeordnet sind daß jede der Leiterschleifen ihre entgegen
gesetzten Abschnitte durch zwei benachbarte magnetische
Felder von entgegengesetzter Richtung hindurchtreten läßt,
bzw. so daß die entgegengesetzten Abschnitte jeder Leiter
schleife die Lorentz-Kraft in im wesentlichen derselben
Richtung erfahren.
4. Positionierungsvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch
gekennzeichnet, daß jede der beweglichen Leiterschleifen
(24) eine im wesentlichen rechteckige Ausbildung mit
parallelen Seitensegmenten besitzt, die die entgegenge
setzten Abschnitte bilden, durch die der sie unter Spannung
setzende Strom in entgegengesetzten Richtungen fließt.
5. Vorrichtung zum Positionieren nach Anpruch 4, dadurch
gekennzeichnet, daß jede der beweglichen Leiterschleifen
(24) ein im wesentlichen gerades Endsegment besitzt, das die
entgegengesetzten Seitensegmente überbrückt, wobei die vier
beweglichen Leiterschleifen (24) in jeder Gruppe mit der
Manipulatorstange (20) an entsprechenden Zentren der Endseg
mente mit den Endsegmenten von den diametral gegenüberliegen
den beweglichen Leiterschleifen (24) eng zusammengehalten
werden.
6. Vorrichtung zum Positionieren nach Anspruch 4 oder 5,
dadurch gekennzeichnet, daß jede der beweglichen Leiter
schleifen (24) als flache Luftkernspule ausgeführt ist, die
ein flaches Endsegment besitzt, und die Manipulatorstange
(20) einen axial verlängerten Schlitz (26) mit einem kreuz
förmigen Querschnitt besitzt, daß ein Paar von diametral
gegenüberliegenden beweglichen Leiterschleifen (24) ihre
abgeflachten Endsegmente axial in einer aneinanderliegenden
Beziehung aufwärts gebogen und durch den Schlitz (26) sich
erstreckend besitzen, und das andere Paar von diametral
gegenüberliegenden beweglichen Leiterschleifen (24) ihre
flachen Endsegmente axial nach unten in einer aneinander
liegenden Beziehung zueinander gebogen und sich durch den
Schlitz (16) erstreckend besitzen.
7. Vorrichtung zum Positionieren nach Anspruch 3, gekenn
zeichnet durch eine Gruppe von vier Magnetstücken (71-74)
die in einer Querebene zwischen den Gruppen von Stator-Per
manentmagneten (51-54 und 61-64) angeordnet sind wobei jedes
der Magnetstücke (71-74) in jedem der separaten
magnetischen Felder vorgesehen ist, und wobei die Gruppen
von beweglichen Leitschleifen (24) jeweils zwischen der
Gruppe von Magnetstücken (71-74) und den Gruppen von
Statorpermanentmagneten (51-54, 61-64) angeordnet sind.
8. Vorrichtung zum Positionieren nach Anspruch 7, dadurch
gekennzeichnet, daß die Magnetstücke (71-74) Permanentmag
nete sind.
9. Vorrichtung zum Positionieren nach Anspruch 3, gekenn
zeichnet durch ein paar von axial beabstandeten Basisplatten
(30, 31) aus magnetischem Material, auf denen die Gruppen von
Permanentmagneten (51-54, 61-64,) jeweils angebracht sind.
10. Positionierungsvorrichtung nach Anspruch 9, gekennzeich
net dadurch, daß die Basisplatte (30, 31) eine rechtwinklige
horizontale Ausbildung besitzt und die vier Permanentmagne
te an ihren vier Eckabschnitten trägt bzw. derart, daß ein
freier Zentralabschnitt freigelassen wird, in dem der Mani
pulatorstange (20) erlaubt wird, sich zu bewegen.
11. Vorrichtung zum Positionieren nach Anspruch 3, gekenn
zeichnet durch einen Elektromagneten (40), der an dem axialen
Ende der Manipulatorstange (20) vorgesehen ist, wobei der
Elektromagnet (40) Anregeleiterschleifenmittel beinhaltet,
die relativ zu einer der Gruppen von Stator-Permanentmagne
ten (51-54, 61-64) befestigt sind, und einen Anker (43), der
mit einem Ende der Manipulatorstange (20) verbunden ist, so
daß die Manipulatorstange (20) dazu angetrieben wird, sich
axial zu bewegen, indem selektiv die Anregeleiterschleifen
mittel unter Spannung gesetzt werden.
12. Vorrichtung zum Positionieren nach Anspruch 3, gekenn
zeichnet durch eine lineare Gleichstromverstelleinrichtung
(100), die Permanentmagnetmittel und eine Leiterschleifen
einheit beinhaltet, die mit dem Ende der Manipulatorstange
(20) verbunden ist, wobei die Permanentmagnetmittel fest in
Relation zu einer der Gruppen von Permanentmagneten (51-54,
61-64) angebracht sind und ein magnetisches Feld produzieren,
das mit der Leiterschleifeneinheit zusammenwirkt, um eine
Lorentz-Kraft zu erzeugen, die auf die Leiterschleifenein
heit wirkt, um die Manipulatorstange (20) axial zusammen mit
der Leiterschleifeneinheit unabhängig von den magnetischen
Feldern, die durch die Gruppen von beweglichen Leiterschlei
fen erzeugt werden, zu bewegen.
13. Vorrichtung zum Positionieren nach Anspruch 3, gekenn
zeichnet durch eine mechanische Feder (110), die mit der
Manipulatorstange (20) verbunden ist, um eine mechanische
Einhaltung vorgegebener Werte in ihrer axialen Richtung zu
erzeugen.
14. Positionierungsvorrichtung mit sechs Freiheitsgraden,
insbesondere nach den vorangehenden Ansprüchen, gekennzeich
net durch:
- - eine Manipulatorstange (20), die dazu vorgesehen ist, einen Gegenstand in eine gewünschte Position zu bewegen, wobei die Manipulatorstange (20) eine Achse der Vorrichtung festlegt,
- - erste Verstelleinrichtungsmittel mit Permanentmagnet mitteln und elektrisch mit Spannung versorgten Leiter schleifenmitteln, die zusammenwirken, um eine Lorentz- Kraft zu erzeugen, die auf die Manipulatorstange (20) wirkt, um zwei Translationsbewegungen entlang zweier miteinander orthogonaler Achsen rechtwinklig zu der Achse der Manipulatorstange (20) und drei Rotationsbewegungen, um die drei miteinander orthogonalen Achsen herum zu bewirken,
- - zweite Verstelleinrichtungsmittel mit einem Elektromagnet (40) mit zweiten Leiterbahnmitteln und einem Anker (43), der mit der Manipulatorstange (20) verbunden ist, wobei der Elektromagnet (40) auf das Unterspannungsetzen der zweiten Leiterschleifenmittel anspricht, um eine magnetische Anziehung/Abstoßung zu erzeugen, die auf die Manipulatorstange (20) wirkt, um eine Translations bewegung der Manipulatorstange (20) entlang ihrer Achse zu erzeugen,
- - Meßmittel, die die Position und die Ausrichtung der Mani pulatorstange (20) ermitteln und eine Meßmittelausgabe erzeugen, die die Position und Ausrichtung der Mani pulatorstange anzeigt, und
- - Kontrollmittel, die vorgesehen sind, um die ersten und zweiten Verstelleinrichtungsmittel ansprechend auf die Meßmittelausgabe zu steuern, um die Translations- und Drehbewegungen der Manipulatorstange (20) entlang und um die drei miteinander orthogonalen Achsen zu erzeugen.
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