EP1504515A1 - Elektromagnetischer linearantrieb - Google Patents

Elektromagnetischer linearantrieb

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EP1504515A1
EP1504515A1 EP03737896A EP03737896A EP1504515A1 EP 1504515 A1 EP1504515 A1 EP 1504515A1 EP 03737896 A EP03737896 A EP 03737896A EP 03737896 A EP03737896 A EP 03737896A EP 1504515 A1 EP1504515 A1 EP 1504515A1
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EP
European Patent Office
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longitudinal
motor
linear drive
stator
drive according
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP03737896A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Sebastian Aigner
Mohammad Mehdianpour
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Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Publication of EP1504515A1 publication Critical patent/EP1504515A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K41/00—Propulsion systems in which a rigid body is moved along a path due to dynamo-electric interaction between the body and a magnetic field travelling along the path
    • H02K41/02—Linear motors; Sectional motors
    • H02K41/03—Synchronous motors; Motors moving step by step; Reluctance motors
    • H02K41/031—Synchronous motors; Motors moving step by step; Reluctance motors of the permanent magnet type
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23Q—DETAILS, COMPONENTS, OR ACCESSORIES FOR MACHINE TOOLS, e.g. ARRANGEMENTS FOR COPYING OR CONTROLLING; MACHINE TOOLS IN GENERAL CHARACTERISED BY THE CONSTRUCTION OF PARTICULAR DETAILS OR COMPONENTS; COMBINATIONS OR ASSOCIATIONS OF METAL-WORKING MACHINES, NOT DIRECTED TO A PARTICULAR RESULT
    • B23Q5/00—Driving or feeding mechanisms; Control arrangements therefor
    • B23Q5/22—Feeding members carrying tools or work
    • B23Q5/28—Electric drives
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K11/00—Structural association of dynamo-electric machines with electric components or with devices for shielding, monitoring or protection
    • H02K11/20—Structural association of dynamo-electric machines with electric components or with devices for shielding, monitoring or protection for measuring, monitoring, testing, protecting or switching
    • H02K11/21—Devices for sensing speed or position, or actuated thereby
    • H02K11/22—Optical devices
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K13/00—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing or adjusting assemblages of electric components
    • H05K13/04—Mounting of components, e.g. of leadless components
    • H05K13/0404—Pick-and-place heads or apparatus, e.g. with jaws
    • H05K13/0406—Drive mechanisms for pick-and-place heads, e.g. details relating to power transmission, motors or vibration damping
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K2201/00—Specific aspects not provided for in the other groups of this subclass relating to the magnetic circuits
    • H02K2201/18—Machines moving with multiple degrees of freedom

Definitions

  • the invention relates to an electromagnetic linear drive with a stator and at least one motor which can be moved along a longitudinal guide, the stator and the motor being alternately provided with electromagnetic longitudinal drive elements.
  • Such a linear drive is such. B. known from WO 0016468 A.
  • the stator is then covered with permanent magnets that are lined up linearly.
  • the motor (rotor) which can be moved over it, has electromagnetically activated coil elements that interact with the stationary longitudinal drive elements and is guided on the stator by means of two linear guides using ball-ring technology. These linear bearings absorb the one-sided magnetic forces.
  • the invention has for its object to reduce the management effort.
  • the electromagnetic lateral guidance makes it possible to move the motor exactly parallel to the longitudinal marking.
  • the z. B. air-bearing motor does not require any mechanical connection to the stator. However, it is also possible to use double-acting linear motors in which the magnetic forces cancel each other out, so that a floating effect can also be achieved here.
  • the longitudinal marking can e.g. B. with little additional effort on a longitudinal scale on which the markings are shown photolithographically.
  • the optical position sensor continuously records the relative position of the motor to the longitudinal marking.
  • the guide elements are formed by a type of transverse drive elements which correct the deviations of the motor in the transverse direction depending on the sensor values. They are similar in design and function to the longitudinal drive elements and can be combined with them in an integrated structure with relatively little additional effort.
  • the linear drive can be used for different tasks without the need for special adjustments. It is particularly suitable for positioning tasks in which essentially only acceleration and braking forces occur in the longitudinal direction.
  • z. B when transporting a workpiece from a pick-up area to an assembly site, accurate guidance is only required when picking up and assembling. A large part of the transport route can thus be accelerated without precise control.
  • the centering effect of the longitudinal drive elements makes it possible to dispense with the guide elements of the stator.
  • the optical guide means Due to the small lateral deflection, it is possible to arrange the optical guide means outside of the electromagnetic drive area. When the air pressure in the air bearing ceases to exist, the motor is pulled against the stator with high force by the permanent magnets. By arranging the optics outside of this area, it is possible to maintain a sufficient safety distance between the measuring and sensor surfaces, which prevents damage.
  • two directly adjacent linear drives can be formed, with which the assembly performance can be increased considerably.
  • the two motors can be guided close to each other and thus, B. can be positioned simultaneously over a circuit board in order to simultaneously set up two components. Due to the lateral deflectability of the motors, it is possible to mount the components at the same time even if the transverse distance does not correspond to the central distance of the transverse drives.
  • the two stators are combined in a common structure, which reduces the manufacturing effort and increases the accuracy of the mutual assignment.
  • workpiece carriers or placement heads can be operated in a rotating, performance-enhancing manner and positioned individually without the need for a delicate mechanical deflection.
  • the motors can be introduced into the new line in each case without mechanical running-in means and stops.
  • FIG. 1 shows a top view of the underside of a linear drive
  • Figure 2 is an end view of the linear drive of Figure 1 with a placement head.
  • the linear drive according to FIGS. 1 and 2 consists of a stator 1 and a motor 2 which can be moved on it.
  • a sensor head 3 fastened to the motor 2 is directed to a scale 4 fastened to the stator 1.
  • the stator 1 and the motor 2 are alternately with in a longitudinal direction lined up, transverse longitudinal drive elements 5 z. B. in the form of permanent magnets 6 of the stator 1 and coil segments 7 of the motor 2.
  • longitudinal electromagnetic guide elements 8 are arranged on the stator 1 and on the motor 2, which are used for the frictional lateral guidance of the motor 2.
  • the scale 4 is provided with a measuring scale 9 formed from transverse markings and with longitudinal markings 10 which extend parallel to the row direction of the longitudinal drive elements 5.
  • a position sensor 11 of the sensor head 3 detects the position of the longitudinal markings relative to the motor.
  • a measuring Sensor 12 of the sensor head 3 is used to determine the position of the motor 2 on the basis of the measuring scale 9 in the longitudinal direction.
  • the longitudinal drive elements 5 enable the motor 2 to be advanced in the row direction by appropriate energization of the coil segments 7.
  • the motor 2 can also be deflected out of a central track by energizing the guide elements 8 assigned to the motor, the dash-dotted contours of the motor 2 being the same indicate maximum deflection.
  • the degree of the respective deflection can be recognized and controlled by the position sensor 11.
  • the measuring head 3 and the scale 4 are outside the electromagnetic drive range. When the motor 2 is placed on the stator 1, a minimum distance can be maintained between the measuring head 3 and the scale 4, which prevents mutual damage.
  • the guide elements 8 are exactly aligned in the longitudinal direction and counteract a rotation of the motor 2 to secure the position. If the requirements for the angular position are very high, it is also possible to provide two of the position sensors at a distance from one another. On the motor, two of the guide elements are arranged one behind the other in the longitudinal direction in each row, which enable a correction of the angular position by different energization.
  • a placement head 13 On the underside of the motor 2, a placement head 13 is attached, which is provided with suction pads 14 for electronic components 15. These are displaceable perpendicular to the plane of the stator 1 and can thus remove the components 15 from one
  • a second placement head 13 with an additional linear drive is indicated by dash-dotted lines, in which the stator 1 is widened accordingly and in which the drive and guide elements are doubled to form a second path.

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Abstract

Ein elektromagnetischer Linearantrieb besteht aus einem Stator (1) und einem linear verfahrbaren Motor (2). Der Stator (1) und der Motor (2) tragen wechselweise elektromagnetische Längsantriebselemente (5) und elektromagnetische Querführungselemente (8), die den Motor (2) mittels einer optischen Längsmarkierung (10) und einem Positionssensor (11) in einer definierten Führungsbahn halten. Dadurch kann auf aufwendige mechanische Führungselemente verzichtet werden.

Description

Beschreibung
Elektromagnetischer Linearantrieb
Die Erfindung bezieht sich auf einen elektromagnetischen Linearantrieb mit einem Stator und zumindest einem entlang einer Längsführung verfahrbaren Motor, wobei der Stator und der Motor wechselweise mit elektromagnetischen Längsantriebselementen versehen sind.
Ein derartiger Linearantrieb ist z. B. durch die WO 0016468 A bekannt geworden. Danach ist der Stator mit linear aneinander gereihten Permanentmagneten belegt. Der darüber verfahrbare Motor (Läufer) weist elektromagnetisch aktivierbare mit den stationären Längsantriebselementen wechselwirkende Spulenelemente auf und ist am Stator mittels zweier Linearführungen in Kugel -Umlauftechnik geführt. Diese Linearlager nehmen die einseitig wirkenden Magnetkräfte auf.
Es sind aber auch z. B. durch die US 6150740 Luftlager bekannt, die die Magnetkräfte abfangen und durch gewinkelte Anordnung der Lagerflächen eine Seitenführung ermöglichen, wobei die Führungselemente eine genaue Zuordnung und entsprechend aufwendige Montage erfordern.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Führungsaufwand zu verringern.
Diese Aufgabe wird durch die Erfindung gemäß Anspruch 1 ge- löst. Durch die elektromagnetische seitliche Führung ist es möglich, den Motor genau parallel zu der Längsmarkierung zu verfahren. Der z. B. luftgelagerte Motor benötigt keinerlei mechanische Verbindung zum Stator. Es ist aber auch möglich, doppelseitig wirkende Linearmotoren zu verwenden, bei denen sich die Magnetkräfte gegenseitig aufheben, so dass auch hierbei ein Schwebeeffekt erzielt werden kann. Die Längsmarkierung kann z. B. mit geringem Mehraufwand auf einem Längs- maßstab angebracht werden, auf dem die Markierungen fotoli- thografisch gezeigt werden. Der optische Positionssensor er- fasst fortlaufend die relative Lage des Motors zur Längsmarkierung. Die Führungselemente sind durch eine Art von Queran- triebselementen gebildet, die die Abweichungen des Motors in der Querrichtung in Abhängigkeit von den Sensorwerten korrigieren. In ihrer Bauart und Funktion gleichen sie den Längs- antriebselementen und können mit diesen in einer integrierten Struktur mit relativ geringem Mehraufwand zusammengefasst werden.
Durch die vollständige mechanische Entkopplung zwischen dem Stator und dem Motor kann der Linearantrieb für unterschiedliche Aufgaben eingesetzt werden, ohne dass dafür besondere Anpassungen erforderlich sind. Er eignet sich insbesondere für Positionieraufgaben, bei denen im Wesentlichen nur Beschleunigungs- und Bremskräfte in der Längsrichtung auftreten. Dabei ist z. B. beim Transport eines Werkstücks von einem Abholbereich zu einem Montageplatz eine genaue Führung lediglich beim Abholen und beim Zusammenfügen erforderlich. Ein großer Teil der Transportstrecke kann somit ohne genaue Steuerung beschleunigt durchlaufen werden. In diesem Abschnitt ist es durch die Zentrierwirkung der Längsantriebs- elemente möglich, auf die Führungselemente des Stators zu verzichten.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Ansprüchen 2 bis 10 gekennzeichnet:
Durch die Weiterbildung nach Anspruch 2 ist es möglich, den Motor seitlich feinzupositionieren, so dass seine Lage z. B. der Lage von Abholplätzen der Werkstücke genau angepasst werden kann, wodurch die aufwendige Nachjustierung dieser Abhol- plätze entfallen kann. Das Gleiche gilt für die Montageposi- tionen z. B. von Bauelementen auf einer Leiterplatte. Diese kann z. B. quer zur Längsrichtung grob positioniert werden. Die Bauteile können nun innerhalb eines schmalen Streifens aufgesetzt werden, ohne dass bei jedem einzelnen der Bauelemente die Leiterplatte nachgeführt werden muss.
Durch die Weiterbildung nach Anspruch 3 ist es möglich, den Positionssensor und den Mess-Sensor sowie die Mess-Skala und die Längsmarkierung in gemeinsamen Strukturen von hoher Genauigkeit und geringem Mehraufwand zusammenzufassen.
Durch die geringe seitliche Auslenkung ist es möglich, die optischen Führungsmittel nach Anspruch 4 außerhalb des elektromagnetischen Antriebsbereiches anzuordnen. Beim Wegfall des Luftdrucks im Luftlager nach Anspruch 5 wird der Motor durch die Permanentmagneten mit hoher Kraft gegen den Stator gezogen. Durch die Anordnung der Optik außerhalb dieses Bereiches ist es möglich, zwischen den Mess- und Sensorflächen einen hinreichenden Sicherheitsabstand einzuhalten, der eine Beschädigung ausschließt.
Durch die Weiterbildung nach Anspruch 6 ist es z.B. möglich, elektrische Bauelemente mittels zwei Motoren aus zwei entgegengesetzten Richtungen der Leiterplatte zuzuführen und gleichzeitig auf die Leiterplatte an unterschiedlichen Stellen aufzusetzen.
Mit den beiden Statoren nach Anspruch 7 lassen sich zwei unmittelbar benachbarte Linearantriebe bilden, mit denen sich die Montageleistung erheblich steigern lässt. Durch den Wegfall der mechanischen oder pneumatischen Führungen können die beiden Motoren in engem Abstand aneinander vorbeigeführt wer- den und so z. B. gleichzeitig über einer Leiterplatte positioniert werden, um gleichzeitig zwei Bauelemente aufzusetzen. Durch die seitliche Auslenkbarkeit der Motoren ist es möglich, die Bauelemente auch dann gleichzeitig aufzusetzen, wenn der Querabstand nicht dem Mittelabstand der Querantriebe entspricht. Durch die Weiterbildung nach Anspruch 8 werden die beiden Statoren in einer gemeinsamen Struktur zusammengefasst , was den Herstellungsaufwand verringert und die Genauigkeit der wechselseitigen Zuordnung erhöht.
Durch die Weiterbildung nach Anspruch 9 können z. B. Werkstückträger oder Bestückköpfe leistungssteigernd umlaufend betrieben und individuell positioniert werden, ohne dass dazu eine heikle mechanische Umlenkung erforderlich ist. Das Ein- schleusen der Motoren in die jeweils neue Strecke kann ohne mechanische Einlaufmittel und Anschläge erfolgen.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert.
Figur 1 zeigt eine Draufsicht auf die Unterseite eines Linearantriebs,
Figur 2 eine Stirnansicht des Linearantriebs nach Figur 1 mit einem Bestückkopf .
Der Linearantrieb nach den Figuren 1 und 2 besteht aus einem Stator 1 und einem an diesem verfahrbaren Motor 2. Ein am Motor 2 befestigter Sensorkopf 3 ist auf einen am Stator 1 befestigten Maßstab 4 gerichtet. Der Stator 1 und der Motor 2 sind wechselweise mit in einer Längsrichtung aneinandergereihten, querstehenden Längsantriebselementen 5 z. B. in Form von Permanentmagneten 6 des Stators 1 und Spulensegmenten 7 des Motors 2 versehen. Neben diesem sind längsstehende elektromagnetische Führungselemente 8 am Stator 1 und am Motor 2 angeordnet, die der kraftschlüssigen seitlichen Führung des Motors 2 dienen.
Der Maßstab 4 ist mit einer aus Quermarkierungen gebildeten Mess-Skala 9 und mit Längsmarkierungen 10 versehen, die sich parallel zur Reihenrichtung der Längsantriebselemente 5 erstrecken. Ein Positionssensor 11 des Sensorkopfs 3 erfasst die Lage der Längsmarkierungen relativ zum Motor. Ein Mess- Sensor 12 des Sensorkopfs 3 dient der Lagebestimmung des Motors 2 anhand der Mess-Skala 9 in der Längsrichtung.
Die Längsantriebselemente 5 ermöglichen den Vorschub des Mo- tors 2 in der Reihenrichtung durch entsprechende Bestromung der Spulensegmente 7. Der Motor 2 kann außerdem aus einer mittleren Spur heraus durch Bestromung der dem Motor zugeordneten Führungselemente 8 ausgelenkt werden, wobei die strichpunktierten Konturen des Motors 2 dessen maximale Auslenkung andeuten. Durch den Positionssensor 11 kann das Maß der jeweiligen Auslenkung erkannt und gesteuert werden. Der Messkopf 3 und der Maßstab 4 befinden sich außerhalb des elektromagnetischen Antriebsbereichs. Beim Aufsetzen des Motors 2 auf den Stator 1 kann es zwischen dem Messkopf 3 und dem Maß- stab 4 ein Mindestabstand eingehalten werden, der eine wechselseitige Beschädigung verhindert.
Die Führungslemente 8 sind in der Längsrichtung genau fluchtend angeordnet und wirken einer Verdrehung des Motors 2 la- gesichernd entgegen. Bei sehr hohen Anforderungen an die Winkellage ist es auch möglich, zwei der Positionssensoren mit Abstand hintereinander vorzusehen. Am Motor sind in der Längsrichtung in jeder Reihe zwei der Führungselemente hintereinander angeordnet, die durch unterschiedliche Bestromung eine Korrektor der Winkellage ermöglichen.
Auf der Unterseite des Motors 2 ist ein Bestückkopf 13 angebracht, der mit Sauggreifern 14 für elektronische Bauelemente 15 versehen ist. Diese sind senkrecht zur Ebene des Stators 1 verschiebbar und können somit die Bauelemente 15 aus einer
Abholposition abholen und nach dem Längsvorschub des Motors 2 auf eine quer zur Längsrichtung des Stators 1 verschiebbare Leiterplatte 16 aufsetzen.
In der linken Bildhälfte der Figur 2 ist ein zweiter Bestückkopf 13 mit einem zusätzlichen Linearantrieb strichpunktiert angedeutet, bei dem der Stator 1 entsprechend verbreitert ist und bei dem die Antriebs- und Führungselemente zu einer zweiten Bahn verdoppelt sind.
Bezugszeichenliste
1 Stator
2 Motor 3 Sensorkopf
4 Maßstab
5 Längsantriebselement
6 Permanentmagnet
7 Spulensegment 8 Führungselement
9 Mess-Skala
10 Längsmarkierung
11 Positionssensor
12 Mess-Sensor 13 Bestückkopf
14 Sauggreifer
15 Bauelement
16 Leiterplatte

Claims

Patentansprüche
1. Elektromagnetischer Linearantrieb mit einem Stator (1) und mindestens einem entlang einer Längsführung verfahrbaren Motor (2) , wobei der Stator (1) und der Motor (2) wechselweise mit elektromagnetischen Längsantriebselementen (4) versehen sind, dadurch gekennzeichnet, • dass der Stator (1) und der Motor (2) wechselweise angeordnete elektromagnetische Führungselemente (8) aufweisen,
• dass der Stator (1) zumindest eine sich in der Längsrichtung erstreckende Längsmarkierung (10) aufweist,
• dass der Motor zumindest einen die Längsmarkierung (10) erfassenden Positionssensor (11) trägt,
• dass die Führungselemente (8) , die Längsmarkierung (10) und der Positionssensor (11) die Längsführung bilden und
• dass in der Querrichtung die relative Lage der Führungselemente (8) zueinander in Abhängigkeit von den Sensorwer- ten korrigierbar ist.
2. Linearantrieb nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Führungselemente (8) , der Positionssensor (11) und die Längsmarkierung (10) derart gestaltet sind, dass der Motor (2) innerhalb eines schmalen Bereichs in der Querrichtung auslenkbar und positionierbar ist.
3. Linearantrieb nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
• dass der Stator (1) mit einer sich in der Längsrichtung erstreckenden Mess-Skala (8) versehen ist,
• dass der Motor (2) einen auf die Mess-Skala (8) gerichteten Mess-Sensor (12) aufweist und • dass sich die Mess-Skala (8) und der Mess-Sensor (12) in der Querrichtung über den gesamten Bereich der Querauslenkung überlappen.
4. Linearantrieb nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Mess-Skala (8) der Mess-Sensor (12) , die Längsmar- kierungen (10) und der Positionssensor (11) außerhalb des Bereichs der Längsantriebselemente (5) und der Führungselemente (8) angeordnet sind.
5. Linearantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Linearantrieb einseitig wirkend ausgebildet ist und dass sich der Motor (2) am Stator (1) mittels eines Luftlagers abstützt.
6 . Linearantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Stator (1) mit mehreren der unabhängig voneinander verfahrbaren Motoren (2) versehen ist.
7. Linearantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
• dass zumindest zwei der Statoren (1) parallel zueinander an einem gemeinsamen Träger verankert sind und
• dass zumindest einer der beiden Statoren (1) die Längsmar- kierungen (10) und die Führungselemente (8) aufweist.
8. Linearantrieb nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Statoren (1) zu einer Baueinheit zusammenge- fasst sind, in der die Längsantriebselemente (5) und die Führungselemente (8) an einer gemeinsamen Plattform in zwei getrennten zueinander parallelen Bahnen für die Motoren (2) zu- sammengefasst sind.
9. Linearantrieb nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, • dass die beiden Bahnen Teil einer Umlaufstrecke für den Motor (2) sind und
• dass die beiden Bahnen durch zusätzliche der quer zur Längsführung aneinandergereihten stationären Führungsele- mente (8) verbunden sind.
10. Linearantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Motor (1) einen Bestückkopf (13) für elektrische Bauelemente (15) trägt.
EP03737896A 2002-05-15 2003-05-15 Elektromagnetischer linearantrieb Withdrawn EP1504515A1 (de)

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DE10221658 2002-05-15
DE10221658 2002-05-15
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WO (1) WO2003098782A1 (de)

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