DE68905189T2

DE68905189T2 - ARRANGEMENT FOR QUICK POSITIONING OF HEAVY LOADS.

Info

Publication number: DE68905189T2
Application number: DE1989605189
Authority: DE
Inventors: Lennart Stridsberg
Original assignee: Mytronic AB
Current assignee: Mycronic AB
Priority date: 1988-07-08
Filing date: 1989-07-07
Publication date: 1993-06-17
Anticipated expiration: 2009-07-08
Also published as: DE68905189D1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur sehr schhellen Positionierung mit einer sehr hohen Genauigkeit (einige zehntel Micrometer) von relativ schweren Schlitten (mehrere Kilogramm) entlang einer relativ langen Bahn (mehr als 1 m).The present invention relates to a device for very fast positioning with a very high accuracy (a few tenths of a micrometer) of relatively heavy carriages (several kilograms) along a relatively long path (more than 1 m).

Solche Bewegungen sind bei allen möglichen Bearbeitungswerkzeugen und Robotern erforderlich. Dieses Erfordernis ist bei Maschinen von Natur aus größer, bei denen eine große Anzahl von Arbeitsstufen, von denen jede eine kurze Zeitdauer einnimmt, in Positionen ausgeführt werden sollen, die sehr präzise beibehalten werden sollen. Ein Beispiel sind Sortierroboter, bei denen ein Sortierkopf angeordnet ist, um verschiedene Arten von Baugruppen von einer großen Anzahl möglicher Stellen herbeizuholen und um diese an eine große Anzahl unterschiedlicher Stellen mit einer hohen Genauigkeit hinzubringen.Such movements are required in all kinds of machining tools and robots. This requirement is inherently greater in machines where a large number of work steps, each of which takes a short time, are to be carried out in positions that are to be maintained with great precision. An example is sorting robots where a sorting head is arranged to fetch different types of assemblies from a large number of possible locations and to deliver them to a large number of different locations with a high degree of accuracy.

Der herkömmliche Stand für solche Verschiebungen sind eine Spindel und ein Riemen. Spindelangetriebene Systeme (siehe Fig. 1) verwenden einen stationären Motor 101, eine drehbare, aber ansonsten stationäre (Kugelumlauf-)Spindel 102, die durch den Motor 101 angetrieben wird, und eine (Kugelumlauf-)Mutter 103, die, wenn die Spindel gedreht wird, entlang der (Kugelumlauf-)Spindel läuft. Bei niedrigen Geschwindigkeiten und kurzen Verschiebungen haben Spindelantriebssysteme keine großen Probleme. Bei hohen Geschwindigkeiten und langen Verschiebungen gibt es drei zusammenwirkende Nachteile:The conventional stand for such displacements is a spindle and a belt. Spindle-driven systems (see Fig. 1) use a stationary motor 101, a rotatable but otherwise stationary (ball screw) screw 102 driven by the motor 101, and a (ball nut) 103 which, as the spindle is rotated, rides along the (ball screw). At low speeds and short displacements, spindle-driven systems do not have major problems. At high speeds and long displacements, there are three interacting disadvantages:

1) Die kritische Anzahl der Umdrehungen:1) The critical number of revolutions:

Da die Spindel nur an ihren Enden gestützt wird, wird sie unstabil, wenn die Anzahl der Umdrehungen einen bestimmten Wert überschreitet. Dieser Wert kann erhöht werden, wenn der Durchmesser erhöht wird.Since the spindle is only supported at its ends, it becomes unstable when the number of revolutions exceeds a certain value. This value can be increased if the diameter is increased.

2) The gradient:

Je größer die Verschiebung ist, die die Mutter entlang der Spindel bei jeder Drehung ausführt, desto niedriger ist die Anzahl der Umdrehungen, die für eine bestimmte Geschwindigkeit erforderlich ist. Die Steigungen sind jedoch aus praktischen Gründen zumeist entsprechend dem Durchmesser der Spindel, wobei eine große Steigung einen großen Durchmesser ergibt.The greater the displacement the nut makes along the spindle with each rotation, the lower the number of revolutions required to achieve a given speed. However, for practical reasons, the pitches are usually equal to the diameter of the spindle, with a large pitch giving a large diameter.

3) The moment of inertia:

Für große Durchmesser und lange Spindeln wird das Trägheitsmoment der Spindel hinderlich.For large diameters and long spindles, the moment of inertia of the spindle becomes a hindrance.

Riemengetriebene Systeme (siehe Fig. 2) weisen einen Riemen 201 in einer geschlossenen Schleife um 2 Rollen 202 und 203 und einen Schlitten 204 auf, der auf einer separaten Linearführung 205 läuft. Der Antrieb wird über einen Motor 206 ausgeführt.Belt-driven systems (see Fig. 2) have a belt 201 in a closed loop around two rollers 202 and 203 and a slide 204 that runs on a separate linear guide 205. The drive is carried out by a motor 206.

Riemengetriebene Systeme sind durch die Elastizität des Riemens begrenzt. Wenn der Motor 206 ein Drehmoment erzeugt, wird der Riemen 201 gedehnt, was eine Elastizität zwischen dem Winkel des Motors 206 und der Position der Last/des Schlittens 204 ergibt.Belt driven systems are limited by the elasticity of the belt. When the motor 206 produces torque, the belt 201 is stretched, resulting in elasticity between the angle of the motor 206 and the position of the load/carriage 204.

Ein anderes Problem der Riemenantriebe ist die Reibung/der Schlupf. Wenn der Riemen ein Zahnriemen ist, wird die beaufschlagende Kraft, die erforderlich ist, um die Elastizität zu reduzieren, eine große Reibung wegen der Schleifenbildung erzeugen; wenn der Riemen ein Stahlband ist, kann ein Schlupf zwischen dem Riemen und den Rollen 202/303 erzeugt werden, was einen Fehler zwischen dem Winkel des Motors 206 und der Position der Last/des Schlittens 204 hervorruft.Another problem of belt drives is friction/slippage. If the belt is a toothed belt, the urging force required to reduce elasticity will create a large friction due to looping; if the belt is a steel belt, slippage may be created between the belt and the rollers 202/303, causing an error between the angle of the motor 206 and the position of the load/carriage 204.

Ein mögliches Verfahren, was jedoch, sofern bekannt, selten zur Kombination einer hohen Geschwindigkeit und einer hohen Genauigkeit verwendet wird, ist eine stationäre Zahnstange und ein Motor, der auf dem Schlitten entsprechend Fig. 3 angeordnet ist. Ein Schlitten 301 läuft entlang einer Linearführung 302, die in einer bestimmten Weise angeordnet ist, wobei dort eine stationäre Zahnstange 303 ausgebildet ist. Auf dem Schlitten 301 ist ein Motor 304 angeordnet, der ein Zahnrad 305 aufweist. Um den Schlitten 301 zu bewegen, wird die Motorwelle gedreht, wodurch das Zahnrad 305 eine Bewegung des Schlittens 301 erzwingt. Die Elastizität kann vernachlässigt werden, da die Motorwelle und das Zahnrad 305 wesentlich fester und kürzer als der Riemen 201 sind. Die Zahnstange 303 kann an dem Rahmen der Vorrichtung (nicht gezeichnet, um die anderen Elemente nicht zu verdecken) mit sehr kurzen Abständen angebracht sein. Ein Schlupf kann nicht auftreten. Das Trägheitsmoment ist bekannt und ist beträchtlich kleiner als bei großen, langen Kugelumlaufspindeln.One possible method, which, however, is rarely used to combine high speed and high accuracy, is a stationary rack and a motor arranged on the carriage according to Fig. 3. A carriage 301 runs along a linear guide 302 which is arranged in a certain way, where a stationary rack 303 is formed. A motor 304 is arranged on the carriage 301, which has a gear 305. To move the carriage 301, the motor shaft is rotated, whereby the gear 305 forces the carriage 301 to move. The elasticity can be neglected because the motor shaft and the gear 305 are much stronger and shorter than the belt 201. The rack 303 can be attached to the frame of the device (not shown so as not to obscure the other elements) at very short distances. Slippage cannot occur. The moment of inertia is known and is considerably smaller than with large, long ball screws.

Ein offensichtlicher Nachteil bei diesem Verfahren besteht darin, daß die Masse des Antriebsmotors zur Masse des Schlittens dazuaddiert wird. Wenn hohe Beschleunigungen und Geschwindigkeiten erforderlich sind, wird der Antriebsmotor einen dominierenden Teil der Masse des Schlittens bilden. Dieses wird den Leistungsbedarf erhöhen und wird wachsende Kosten wegen eines Erfordernisses einer festeren Führungsbahn und eines festeren Rahmens nach sich ziehen. (Der Rahmen muß in einer solchen Weise aufgebaut sein, daß er in der Lage ist, den Beschleunigungskräften ohne untragbare Schwingungen zu widerstehen.) Ein anderes Problem bei diesem Verfahren besteht darin, daß das Spiel zwischen einer Zahnstange und einem Zahnrad für die Endpositionierung beseitigt werden muß. Dieses kann mit doppelt beaufschlagten Zahnrädern ausgeführt werden. Um mit großen Drehmomenten zu arbeiten, die für eine schnelle Positionierung erforderlich sind, ergibt das hohe Oberflächendrücke und einen großen Verschleiß.An obvious disadvantage with this method is that the mass of the drive motor is added to the mass of the carriage. If high accelerations and speeds are required, the drive motor will form a dominant part of the mass of the carriage. This will increase the power requirement and will entail increasing costs due to a requirement for a stronger guideway and frame. (The frame must be constructed in such a way that it is able to withstand the acceleration forces without intolerable vibrations.) Another problem with this method is that the play between a rack and a gear must be eliminated for final positioning. This can be done with double-loaded gears. To work with the high torques required for rapid positioning results in high surface pressures and high wear.

Eine Vorrichtung für den Transport und die Positionierung von Werkstücken ist von früher bekannt aus der in Fig. 6 gezeigten Ausführungsform und dem zugehörigen Teil der Beschreibung in CH-A 5 663 171. In dieser Vorrichtung nach dem Stand der Technik werden Werkstücke tragende Schlitten auf einer Bahn mittels außen befindlichen Reibrollen verschoben. Diese Reibrollen sind drehbar auf dem Rahmen des Mechanismus angebracht. Für die End- und Feinpositionierung der Schlitten wird ein Zahnstangensegment verwendet, das auf dem Schlitten angeordnet ist und ein äußeres Zahnrad verwendet, das drehbar auf dem Rahmen des Mechanismus angeordnet ist. Die Reibrollen und die Zahnräder sind mit einem Motor angetrieben. In einem solchen System können nicht sehr hohe Laufgeschwindigkeiten oder Hochgenauigkeits-Positionsverzögerungen erzielt werden.A device for transporting and positioning workpieces is previously known from the embodiment shown in Fig. 6 and the associated part of the description in CH-A 5 663 171. In this prior art device, slides carrying workpieces are displaced on a track by means of external friction rollers. These friction rollers are rotatably mounted on the frame of the mechanism. For the final and fine positioning of the slides, a rack segment is used which is arranged on the slide and uses an external gear which rotatably mounted on the frame of the mechanism. The friction rollers and the gears are driven by a motor. In such a system, very high running speeds or high-precision position decelerations cannot be achieved.

Eine Vorrichtung zum Transport von Gütern ist in DE-B2-25 12 003 offenbart, wobei verschiedene Fördereinheiten entlang einer Führungsschiene zwischen unterschiedlichen Etagen vertikal verschoben werden. Die Transporteinheiten haben örtliche Motoren, die auf den Transporteinheiten angeordnet sind, wobei die zugehörigen Zahnräder mit einer Zahnstange zusammenarbeiten, die an der Führungsschiene angebracht ist. Die vertikalen Schienen werden in separate Schienenabschnitte begrenzt, die horizontal mittels einem Motor verschiebbar sind, der auf diesen Segmenten angebracht ist. Diese Vorrichtung ist nicht für einen schnellen und genauen Transport von Gütern vorgesehen und löst nicht die zuvor erwähnten Probleme.A device for transporting goods is disclosed in DE-B2-25 12 003, wherein different conveyor units are vertically displaced along a guide rail between different floors. The transport units have local motors arranged on the transport units, the associated gears cooperating with a rack mounted on the guide rail. The vertical rails are delimited into separate rail sections which are horizontally displaceable by means of a motor mounted on these segments. This device is not intended for fast and accurate transport of goods and does not solve the problems mentioned above.

Die Probleme bei den Verfahren und Vorrichtungen beim Stand der Technik, die zuvor beschrieben wurden, werden durch die Erfindung beseitigt.The problems with the prior art methods and devices described above are eliminated by the invention.

Die Erfindung basiert auf der Idee, den Schlitten mit einem lokalen Motor zu versehen, der dem beweglichen Schlitten folgt und dieses mit einer anderen Einrichtung zu kombinieren, um die Nachteile örtlicher Motoren, hauptsächlich die Masse des örtlichen Motors und das Spiel, das erzeugt wird, wenn ein örtlicher Motor seine Leistung mit einem stationären Rahmen mittels einer Zahnstange oder ähnlichen Vorrichtungen verbindet, zu reduzieren oder eliminieren.The invention is based on the idea of providing the carriage with a local motor that follows the moving carriage and combining this with another device to reduce or eliminate the disadvantages of local motors, mainly the mass of the local motor and the play generated when a local motor connects its power to a stationary frame by means of a rack and pinion or similar devices.

Der örtliche Motor entsprechend der Erfindung kann entweder ein elektrischer Linearmotor sein, dessen eines Teil auf dem Schlitten angebracht ist und dessen anderes Teil auf dem Rahmen des Mechanismus angebracht ist, oder kann ein Rotationsmotor sein, der rotierende Elemente aufweist, die auf dem Schlitten angebracht sind, die mit einer stationären Positionierstange zusammenarbeiten. Die Positionierstange kann in der Längsrichtung periodische Aussparungen und/oder erhöhte Abschnitte aufweisen, und das damit zusammenarbeitende Drehelement wird dann einen entsprechenden Aufbau aufweisen. In bestimmten Fällen kann eine Laufstange verwendet werden mit damit zusammenarbeitenden fest angedrückten Rollen, die an dem Schlitten angebracht sind. In der bevorzugten Ausführungsform ist die Positionierstange eine Zahnstange, d. h. ist identisch zu der des Systems entsprechend Fig. 3, wobei alternativ dazu eine stationäre Kugelumlaufspindel mit einer sich drehenden Mutter verwendet wird, die auf dem Schlitten angebracht ist. Die Zahnstange mit ihren zugehörigen Zahnrädern bietet die große Steifigkeit, die für die Endpositionierung und die Schlupffreiheit von Wert ist.The local motor according to the invention can be either an electric linear motor, one part of which is mounted on the carriage and the other part of which is mounted on the frame of the mechanism, or can be a rotary motor comprising rotating elements mounted on the carriage which cooperate with a stationary positioning rod. The positioning rod can have periodic recesses and/or raised portions in the longitudinal direction, and the cooperating The rotary element will then have a corresponding structure. In certain cases a travel rod can be used with cooperating tightly pressed rollers mounted on the carriage. In the preferred embodiment the positioning rod is a rack, ie is identical to that of the system according to Fig. 3, alternatively using a stationary ball screw with a rotating nut mounted on the carriage. The rack with its associated gears provides the great rigidity which is of value for final positioning and freedom from slippage.

Neben dem örtlichen Motor wird in der Erfindung jedoch zumindest eine andere Einrichtung verwendet, um dem Schlitten 301 seitliche Kräfte zu erteilen. Diese Einrichtung hat zwei Zwecke:However, in addition to the local motor, the invention uses at least one other device to impart lateral forces to the carriage 301. This device has two purposes:

Um größere Kräfte zur Beschleunigung und Verzögerung zu haben.To have greater forces for acceleration and deceleration.

Um eine gewisse Kraft für die Endpositionierung zu haben, um mittels einer Beaufschlagung das Spiel zu eliminieren, das in dem Hauptteil der Ausführungsforinen in Verbindung zwischen einem örtlichen Drehmotor und der Positionierstange erzeugt wird. Als ein Bei spiel kann das Spiel zwischen dem Zahnrad 305 und der Stange 303 erwähnt werden.In order to have a certain force for the final positioning, in order to eliminate by means of a load the play that is generated in the main part of the embodiments in connection between a local rotary motor and the positioning rod. As an example, the play between the gear 305 and the rod 303 can be mentioned.

Die Erfordernisse für diese Extraeinrichtung sind sehr viel niedriger als bei allgemeinen Positioniersystemen. Die Elastizität z. B. hat keine Bedeutung. Das Erfordernis von sehr kurzen Ansprechzeiten ist sehr viel niedriger.The requirements for this extra device are much lower than for general positioning systems. Elasticity, for example, is not important. The requirement for very short response times is much lower.

Als Beispiele solcher Einrichtungen kann angeführt werden:Examples of such facilities include:

Ein Band (alternativ dazu ein Riemen, ein Zahnriemen, eine Kette oder ähnliche Vorrichtungen) (201), das durch einen Motor angetrieben wird, der z. B. an dem Rahmen des Mechanismus angebracht ist. Es kann relativ elastisch und somit leicht sein und kann eine angemessene Vorspannung und somit eine angemessene Reibung haben.A belt (alternatively a belt, a toothed belt, a chain or similar devices) (201) driven by a motor, e.g. attached to the frame of the mechanism. It may be relatively elastic and thus light and may have an appropriate pre-tension and thus an appropriate friction.

Ein anderes Zahnrad, wie z. B. 305, weist einen anderen Motor 304 auf.Another gear, such as 305, has another motor 304.

Ein Pneumatikzylinder, der eine mitlaufende Dichtung aufweist und der z. B. an dem Rahmen des Mechanismus angebracht ist, z. B. ein sogenannter Origa-Zylinder.A pneumatic cylinder that has a rotating seal and that is attached to the frame of the mechanism, e.g. a so-called Origa cylinder.

Ein Pneumatikzylinder, der eine Magnetkupplung über die Zylinderwandung der Kräfte zwischen dem Kolben und dem Schlitten aufweist.A pneumatic cylinder that has a magnetic coupling across the cylinder wall to transmit the forces between the piston and the slide.

Somit bezieht sich die Erfindung auf eine Vorrichtung für eine schnelle Positionierung eines schweren Schlittens. Der Schlitten wird mittels einer befestigten stationären Positionierstange endpositioniert, d. h. einem Teil eines Elektrikmotors oder einer Zahnstange und einem damit zusammenarbeitenden Motor, der an dem Schlitten angebracht ist. Für den Fall, daß eine Zahnstange eingeschlossen ist, ist der Motor mit Zahnrädern im Eingriff mit der Zannstange versehen. Der Schlitten wird schnell und unpräzise mittels einer anderen Einrichtung verschoben. Diese andere Einrichtung kann durch ein anderes Zahnrad, das mit einer Zahnstange zusammenarbeitet und durch einen separaten Motor angetrieben wird, gebildet werden, wobei der Motor ebenfalls auf dem Schlitten angebracht ist. Die weitere Einrichtung ergibt ebenfalls eine gewisse Kraft für die Endpositionierung auf solche Weise, daß das Spiel zwischen dem Zahnrad und der Zahnstange mittels einer Vorspannung eliminiert wird. Anstatt eines zweiten Zahnrades kann ein Zahnriemen, ein pneumatischer oder ein anderer Linearmotor verwendet werden. In diesen Fällen sind diese separat von dem Schlitten angeordnet und prinzipiell in einem Abstand befestigt. Ebenfalls sind Kombinationen aus zwei Zahnrädern und einer weiteren Außeneinrichtung eine mögliche Ausführungsform.Thus, the invention relates to a device for rapid positioning of a heavy carriage. The carriage is final positioned by means of a fixed stationary positioning rod, i.e. a part of an electric motor or a rack and a cooperating motor, which is mounted on the carriage. In case a rack is included, the motor is provided with gears in engagement with the rack. The carriage is quickly and imprecisely displaced by means of another device. This other device can be formed by another gear cooperating with a rack and driven by a separate motor, the motor also being mounted on the carriage. The further device also provides a certain force for final positioning in such a way that the play between the gear and the rack is eliminated by means of a preload. Instead of a second gear, a toothed belt, a pneumatic or another linear motor can be used. In these cases, they are arranged separately from the carriage and are generally mounted at a distance. Combinations of two gears and another external device are also a possible embodiment.

Für den Fall, daß zwei separate Motoren einbezogen sind, werden diese durch eine Steuereinrichtung gesteuert, die auf solche Weise angeordnet ist, daß die gewünschte Arbeitsweise erzielt wird. Somit werden für eine schnelle Verschiebung des Schlittens die Motoren in einer solchen Weise angetrieben, daß beide Motoren für die Verschiebung zusammenarbeiten, d. h. auf solche Weise, daß beide Motoren auf den Schlitten mit Kräften wirken, die während des größten Teils dieser Stufe in der gleichen Richtung gerichtet sind. Bei dieser schnellen Bewegung wird die Leistung, die für den Transport erforderlich ist, hauptsächlich von dem zweiten Motor abgegeben, der auf die weitere Einrichtung wirkt. Beim Positionieren des Schlittens werden die Motoren auf eine solche Weise angetrieben, daß sie statt beim großen Teil dieser Stufe gegeneinander arbeiten. Auf diese Weise kann ein mögliches Spiel eliminiert werden.In the case where two separate motors are involved, these are controlled by a control device arranged in such a way that the desired operation is achieved. Thus, for rapid displacement of the carriage, the motors are driven in such a way that both motors are used for displacement together, that is, in such a way that both motors act on the carriage with forces directed in the same direction during most of this stage. During this rapid movement, the power required for transport is mainly provided by the second motor acting on the further device. When positioning the carriage, the motors are driven in such a way that they work against each other instead of against each other during most of this stage. In this way, any possible play can be eliminated.

Für den Fall, daß zwei separate Motoren einbezogen sind, die auf dem Schlitten angebracht sind und ein zweites äußeres Antriebselement, das von seinem eigenen separaten Motor angetrieben wird, werden diese Motoren von einer Steuervorrichtung gesteuert, die auf eine solche Weise aufgebaut ist, daß die geeignete Arbeitsweise erzielt wird. Somit werden alle Motoren für eine schnelle Verschiebung des Schlittens auf eine solche Weise angetrieben, daß sie alle während des großen Teils dieser Stufe zur Verschiebung zusammenarbeiten, d. h. auf eine solche Weise, daß alle Motoren auf den Schlitten mit Kräften wirken, die in die gleiche Richtung gerichtet sind. Bei der schnellen Bewegung wird die erforderliche Leistung hauptsächlich von dem Motor abgeleitet, der auf die äußere Transporteinrichtung wirkt. Beim Positionieren des Schlittens werden die Motoren in einer solchen Weise angetrieben, daß stattdessen die weitere Einrichtung hauptsächlich inaktiv ist, während die Motoren, die auf dem beweglichen Schlitten angeordnet sind, statt wie bei einem großen Teil dieser Stufe gegeneinander wirken. Auf diese Weise wird ein mögliches Spiel eliminiert.In the case of involving two separate motors mounted on the carriage and a second external drive element driven by its own separate motor, these motors are controlled by a control device constructed in such a way that the appropriate operation is achieved. Thus, for rapid displacement of the carriage, all the motors are driven in such a way that they all work together during the greater part of this stage of displacement, i.e. in such a way that all the motors act on the carriage with forces directed in the same direction. During rapid movement, the required power is derived mainly from the motor acting on the external transport device. During positioning of the carriage, the motors are driven in such a way that instead the further device is mainly inactive, while the motors arranged on the movable carriage act against each other instead of acting against each other as during a greater part of this stage. In this way, a possible game is eliminated.

Die Positionierstange braucht nicht eine ganze Stange sein, die entlang der ganzen Bahn des Schlittens angeordnet ist. Es können auch geeignete Segmente in dem Fall angeordnet sein, daß die schnelle Verschiebung durch eine äußere Einrichtung ausgeführt wird, die nicht auf dem Schlitten angeordnet ist.The positioning rod does not have to be a whole rod arranged along the entire path of the carriage. Suitable segments can also be arranged in the case that the rapid displacement is carried out by an external device not arranged on the carriage.

Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, in denenThe invention will now be described with reference to the accompanying drawings, in which

Fig. 1 ein System nach dem Stand der Technik zeigt, das eine Kugelumlaufspindel zum Positionieren von Werkstücken aufweist,Fig. 1 shows a prior art system having a ball screw for positioning workpieces,

Fig. 2 ein riemengetriebenes System zum Positionieren nach dem Stand der Technik zeigt,Fig. 2 shows a belt-driven positioning system according to the state of the art,

Fig. 3 ein System nach dem Stand der Technik zeigt, das Zahnräder und eine Zahnstange zum Positionieren aufweist,Fig. 3 shows a prior art system comprising gears and a rack for positioning,

Fig. 4 schematisch eine Ausführungsform der Erfindung zur schnellen Verschiebung und Feinpositionierung eines Schlittens zeigt,Fig. 4 schematically shows an embodiment of the invention for rapid displacement and fine positioning of a carriage,

Fig. 5 schematisch zeigt, wie das Spiel kompensiert werden kann, undFig. 5 shows schematically how the play can be compensated, and

Fig. 6 eine andere Ausführungsform der Erfindung zeigt, die eine äußere Riemenantriebseinrichtung aufweist.Fig. 6 shows another embodiment of the invention having an external belt drive device.

Die Figuren 1, 2 und 3 wurden schon zuvor erläutert.Figures 1, 2 and 3 have already been explained previously.

Eine Ausführungsform der Erfindung kann in Fig. 4 gesehen werden. Entsprechend der Erfindung werden zwei Zahnräder 305 und 401 verwendet, wie in Fig. 4 zu sehen ist. Diese zwei Zahnräder können Drehmomente abgeben, die zumindest teilweise unabhängig voneinander sind, z. B. durch die Tatsache, daß sie durch zwei unabhängige Motoren angetrieben werden. Zu einer schnellen Positionierung von einer Position zur anderen werden zuerst beide Motoren ein Drehmoment in der gleichen Richtung abgeben, um den Schlitten zu beschleunigen, und werden dann ein Drehmoment gleicher Weise aber in entgegengesetzter Richtung abgeben, um den Schlitten zu bremsen. Bis dahin ist das Zahnspiel zwischen der Stange 303 und den Zahnrädern 305/401 ohne Bedeutung.An embodiment of the invention can be seen in Fig. 4. According to the invention, two gears 305 and 401 are used, as can be seen in Fig. 4. These two gears can deliver torques that are at least partially independent of each other, e.g. by the fact that they are driven by two independent motors. For rapid positioning from one position to another, first both motors will deliver a torque in the same direction to accelerate the carriage, and will then deliver a torque in the same way but in the opposite direction to brake the carriage. Until then, the tooth play between the rod 303 and the gears 305/401 is of no importance.

Wenn der Schlitten in der Nähe seines Zieles angekommen ist, wird das Spiel die Probleme bringen, deshalb geben nun beide Motoren unterschiedliche Drehmomente auf solche Weise ab, daß (entsprechend Fig. 5) das Zahnspiel verschwindet. Wenn der Schlitten nahezu stillsteht, kann der Schlitten "verriegelt" gehalten werden durch die Tatsache, daß die zwei Räder 401 und 402 kleinere Drehmomente in entgegengesetzter Richtung abgeben.When the sled is close to its destination, the play will cause problems, so now both motors give different torques in such a way that (according to Fig. 5) the tooth play disappears. When the carriage is almost stationary, the carriage can be kept "locked" by the fact that the two wheels 401 and 402 deliver smaller torques in opposite directions.

Fig. 6 zeigt eine andere Ausführungsform der Erfindung. Die Figur ist total schematisch, um die Elemente prinzipiell zu zeigen. In diesem Fall wird ein Element 201 verwendet, um dem Schlitten 301 zusätzliche Kräfte seitwärts zu erteilen. Das Element 201 kann ein Band, ein Riemen, ein Kabel, ein Draht, eine Kette, ein Keilriemen oder ähnliche Vorrichtungen sein. Zu dem Zweck, daß der Arbeitsweise leichter im Text gefolgt werden kann, wird es nachstehend als ein "Riemen" bezeichnet. Durch die Tatsache, daß der Riemen 201 relativ elastisch sein kann, ohne die Steuereigenschaften beträchtlich zu verschlechtern, kann er relativ leicht ausgeführt werden.Fig. 6 shows another embodiment of the invention. The figure is totally schematic in order to show the elements in principle. In this case an element 201 is used to give the carriage 301 additional forces sideways. The element 201 can be a band, a belt, a cable, a wire, a chain, a V-belt or similar devices. For the purpose of making the operation easier to follow in the text, it will be referred to hereinafter as a "belt". Due to the fact that the belt 201 can be relatively elastic without significantly impairing the control properties, it can be made relatively easily.

Das Element (Riemen) 201 läuft in einer geschlossenen Schleife um die beiden Rollen (alternativ Trommeln/Zahnkränze/Zahnräder) 202 und 203. Der Antrieb wird durch einen oder mehrere Motoren 206 vorgenommen, der eines oder beide der Räder 202 und 203 antreibt. Der Riemen 201 ist in einer bestimmten Art mit dem Schlitten 301 mittels einem Element 207 befestigt.The element (belt) 201 runs in a closed loop around the two rollers (alternatively drums/sprockets/gears) 202 and 203. The drive is provided by one or more motors 206, which drive one or both of the wheels 202 and 203. The belt 201 is attached in a certain way to the carriage 301 by means of an element 207.

Der Schlitten 301 weist einen oder zwei örtliche Motoren mit einer starren Verbindung zwischen dem Schlitten und dem Rahmen auf. In Fig. 6 läuft der Schlitten 301 entlang einer Linearführung 302, wobei eine stationäre Zahnstange 303 vorhanden ist. Auf dem Schlitten 301 ist ein Motor 304 vorgesehen, der ein Zahnrad 305 aufweist und ist möglicherweise ein weiterer Motor 601 angebracht mit seinem zugehörigen Zahnrad 401. Um den Schlitten 301 zu verschieben, wird die Motorwelle gedreht, wodurch das Zahnrad 305 eine Bewegung des Schlittens 301 erzwingt. Die Elastizität zwischen teils dem Schlitten 301, seinem Motor 304 und teils dem Rahmen und seiner Zahnstange 303 ist sehr klein, da die Zahnstange an dem Rahmen des Mechanismus (nicht gezeichnet, um nicht die übrigen Elemente zu verdecken) mit sehr kurzen Abständen angebracht werden kann, und da die Elastizität der Zahnstange, des Zahnrades und der Motorwelle klein ist. Eine Änderung des Drehmomentes, das von dem Motor 304 abgegeben wird, erzeugt eine nahezu plötzliche Änderung der Kraft, die durch das Motorlager auf den Schlitten 301 übertragen werden kann. Beim Beschleunigen und Bremsen werden hohe Beschleunigungs- und Bremskräfte mittels des Zahnriemens 201 abgegeben. Der Motor 304 (und möglicherweise auch 601) werden während der Bremsstufe teilweise zum Korrigieren des Transports des Schlittens zur Endposition hin verwendet. Wenn z. B. das Bremsen wegen der Reibung und der Riemenkraft zu groß wird, wird der örtliche Motor (S) in gewissen kurzen Zeitintervallen dazu neigen, den Schlitten zu beschleunigen, um ihn in einen korrigierten Lauf zum Ziel hin zurückzuführen.The carriage 301 comprises one or two local motors with a rigid connection between the carriage and the frame. In Fig. 6, the carriage 301 runs along a linear guide 302, with a stationary rack 303. On the carriage 301 there is provided a motor 304 which has a gear 305 and possibly a further motor 601 is mounted with its associated gear 401. In order to move the carriage 301, the motor shaft is rotated, whereby the gear 305 forces a movement of the carriage 301. The elasticity between partly the carriage 301, its motor 304 and partly the frame and its rack 303 is very small, since the rack can be mounted on the frame of the mechanism (not shown so as not to obscure the other elements) at very short distances, and since the elasticity of the rack, the gear and the motor shaft is small. A change in the torque delivered by the motor 304 produces an almost instantaneous change in the force that can be transmitted to the carriage 301 through the motor bearing. During acceleration and braking, high acceleration and braking forces are delivered by means of the toothed belt 201. The motor 304 (and possibly also 601) are used in part during the braking stage to correct the transport of the carriage towards the final position. For example, if the braking becomes too great due to friction and belt force, the local motor (S) will tend to accelerate the carriage at certain short time intervals to return it to a corrected run towards the target.

In jenen Fällen wo das Zahnspiel erschwerend groß ist und nur ein Motor 304 verwendet wird, gibt der Motor 206 nach dem Erreichen des Ziels ein schwaches Drehmoment auf solche Weise ab, daß das Zahnspiel zwischen 303 und 305 eliminiert wird. In vielen Ausführungsformen wird dieses jedoch eine gewisse zusätzliche Zeit einnehmen wegen der Elastizität und Trägheit des Riemens 201.In those cases where the backlash is excessive and only one motor 304 is used, the motor 206, after reaching the target, delivers a slight torque in such a way that the backlash between 303 and 305 is eliminated. In many embodiments, however, this will take some additional time due to the elasticity and inertia of the belt 201.

Durch die Hinzufügung eines weiteren Motors 601 und des zugehörigen Zahnrades 401 kann die Korrektur der Verschiebung entsprechend den gleichen Prinzipien ausgeführt werden, wie sie unter Bezugnahme auf die Ausführungsform entsprechend den Fig. 4 und 5 beschrieben wurde. Auf diese Weise kann eine sehr hohe Präzision unmittelbar nach dem Positionieren erreicht werden.By adding a further motor 601 and the associated gear 401, the correction of the displacement can be carried out according to the same principles as described with reference to the embodiment according to Figs. 4 and 5. In this way, a very high precision can be achieved immediately after positioning.

Claims

1. Device for rapid positioning of a heavy carriage (301) guided along a longitudinal track (302), with

a stationary positioning rod (303) which is rigidly attached to a frame of the device,

a first motor (304) which cooperates with the latter,

a further device for displacing the heavy carriage, which is driven by a second motor (206; 601) in such a way that the forces to which the heavy carriage (301) is subjected when the first (304) and second motor (206; 601) are activated simultaneously can be directed in the same direction,

characterized,

that the first motor (304) is a local motor connected to the heavy carriage (301),

that the second motor (206; 601) is a separate motor, and

that the device is arranged in such a way that the forces to which the heavy carriage (301) is subjected when the first (304) and second motor (206; 601) are activated simultaneously can act against each other.

2. Device according to claim 1, characterized in that the device is arranged in such a way,

that the total force to which the heavy carriage (301) is subjected when both motors (301, 206; 601) are activated consists of a first, relatively small force and a second, relatively large force.

that the first force acts on the heavy carriage (301) via relatively rigid mechanical elements (303, 305) in such a way that this force can be changed very quickly, and

that the second force is derived from the second motor (206) and acts on the heavy carriage via relatively softer or more elastic mechanical elements (203, 201),

wherein the total force is of a substantial magnitude allowing rapid displacement of the heavy carriage (301) and is also capable of changing rapidly to allow fine positioning of the heavy carriage (301).

3. Device according to claim 1 or 2, characterized in that the device is arranged in such a way

that the heavy carriage (301) is moved quickly and imprecisely by the second motor (206), and

that the fine positioning of the heavy carriage (301) is carried out by means of the first motor (304) together with a certain force which is achieved by the further displacement device of the second motor (206).

4. Device according to claim 1 or 2, characterized in that the device is designed in such a way displacement of the heavy carriage (301) is required, mainly by the second motor (206), and

that the fine positioning of the heavy carriage (301) is carried out by the first motor (304) in cooperation with the large force derived from the second motor (206).

5. Device according to one of claims 1 to 4, characterized in that the motors (304 and 206) are controlled by a control device arranged in such a way that

that for the rapid displacement of the heavy carriage (301) the motors (304 and 206) are driven in such a way that both motors work together during a large part of this stage, i.e. that both motors (304 and 206) act on the heavy carriage with forces directed in the same direction,

that the power required for rapid positioning of the heavy carriage (301) is mainly derived from the second motor (206), and

that for positioning the heavy carriage, the motors (304 and 206) are driven in such a way that they act against each other during most of this stage, thus eliminating any possible play.

6. Device according to one of claims 1 to 5, characterized in that the second motor is also a local motor (601) connected to the heavy carriage (301).

7. Device according to one of claims 1 to 5, characterized in that the second motor (601) is rigidly mounted on a frame of the device.

8. Device according to one of claims 1 to 4, characterized by a third separate motor (601), which is also a local motor, which is connected to the heavy carriage (301) and cooperates with the positioning rod (302).

9. Device according to claim 8, characterized in that the motors (304, 206, 601) are controlled by a control device which is arranged in such a way,

that for the rapid displacement of the heavy carriage (301) all motors (304, 206, 601) are driven in such a way that they all work together, i.e. in such a way that all motors act on the heavy carriage with forces directed in the same direction during most of this stage,

that the power required for the rapid displacement of the heavy carriage is mainly provided by the second motor (206), and

that for positioning the heavy carriage (301) the motors are driven in such a way that the second motor (206) is substantially inactive, while the first (304) and third motor (601) act against each other during most of this stage, thereby eliminating any possible play.

10. Device according to one of claims 1 to 4, characterized in that the first motor is the movable part of an electric linear motor, the part being mounted on the heavy carriage (301), and that the Positioning rod forms the stator of the linear motor.

11. Device according to one of claims 1 to 9, characterized in that the first motor (304) is a rotary motor and cooperates with a positioning rod via a first element (305) which is driven by the motor (304) and is rotatably mounted on the heavy carriage (301).

12. Device according to one of claims 1 to 9, characterized in that the positioning rod is a rack (303) and the first rotating element is a gear (305).

13. Device according to one of claims 1 to 9, characterized in that the further device is a gear wheel (401) which cooperates with a rack (303) and is rotatably mounted on the heavy carriage (301).

14. Device according to one of claims 1 to 9, characterized in that the further device is a toothed belt (201) driven by a motor (206) mounted on a frame supporting the device.

15. Device according to one of claims 1 to 9, characterized in that the further device is a pneumatic cylinder which is attached to a frame which supports the device.

16. Device according to one of claims 1 to 9 or 15, characterized in that the further device is a pneumatic cylinder which has a rotating seal.

17. Device according to one of claims 1 to 9 or 15, characterized in that the further device is a pneumatic cylinder which has a magnetic coupling, the forces of which are transmitted through the cylinder wall between the piston and the heavy sled.

18. Device according to one of claims 1 to 17, characterized in that segments of the positioning rod (303) are arranged only in those areas of the track in which the heavy carriage (301) is to be positioned.