TWI740828B

TWI740828B - 定位裝置

Info

Publication number: TWI740828B
Application number: TW105117565A
Authority: TW
Inventors: 派翠克克勞爾
Original assignee: 瑞士商史區尼堡控股公司
Priority date: 2015-06-11
Filing date: 2016-06-03
Publication date: 2021-10-01
Also published as: TW201710013A; US20160363200A1; TWI704972B; KR20160146593A; KR20160146592A; US20160363199A1; EP3103581A1; KR102522240B1; EP3124169B1; US10359103B2; EP3103581B1; EP3124169A1; US10428918B2; KR102505425B1; TW201710012A

Abstract

本發明係有關於一種定位裝置(1)，包含一基底元件(2)、一相對於該基底元件(2)沿z軸被定位的承載元件(3)、及至少一個第一、第二、第三、和第四滑動元件(11、12、13、14)，其中一方面藉由一第一、第二、第三、或第四基底引導裝置(21、22、23、24)沿在該基底元件(2)上的一第一、第二、第三、或第四基線，而另一方面藉由一第一、第二、第三、或第四上升引導裝置(31、32、33、34)沿在該承載元件(3)上的一第一、第二、第三、或第四上升線，該第一、第二、第三、或第四滑動元件(11、12、13、14)可位移地佈置，其中該第一、第二、第三、或第四上升線和該第一、第二、第三、或第四基線彼此平行地運行於沿z軸的投影，且相對於z軸具有分別不同的固定傾斜角。提供了該第一、第二、第三、和第四上升引導裝置(31、32、33、34)以這樣方式相對於彼此地配置，即在至少一個投影垂直於z軸情形下，該第一和該第二上升線或該第三和該第四上升線分別地相對於z軸彼此反向傾斜，使得該第一、第二、第三、和第四滑動元件(11、12、13、14)相對於該基底元件(2)的同步位移產生該承載元件(3)相對於該基底元件(2)只沿z軸位移。

Description

定位裝置

本發明係有關於一種定位裝置，其包含一基底元件和一承載元件，藉由至少兩個滑動元件橫向於Z軸的位移，該承載元件可相對於該基底元件沿z軸被定位。

例如，從美國專利第005731631 A號已知這樣的定位裝置。在該專利所說明的該裝置包含一基底和一承載元件，該承載元件具有一工作表面和兩個與該工作表面反向的平行運行楔形表面。藉由兩個間隔開的垂直線性導軌，將該承載元件連接到該基底，該等線性導軌限制該承載元件相對於該基底的移動，成為沿垂直的z軸位移。該定位裝置進一步包含一滑動元件，二個平行運行的楔形剛性地彼此連接，它們佈置在該承載元件之楔形表面各別一個和該基底之間，且藉由兩個間隔開的線性導軌連接到該基底。藉由該等二個線性導軌，該等楔形可垂直於z軸而沿x軸移動。此外，藉由另外一線性導軌，該等楔形的上側各自可位移地連接到該承載元件的楔形表面。一線性馬達用來沿x軸移動該等楔形，由此該承載元件相對於該基底沿z軸移動。在這種情況下，在沿z軸移動期間，在該基底和該承載元件之間的該等兩個垂直線性導軌防止該承載元件相對於該基底沿x軸額外地共同移動。

然而對於許多在高精度定位領域中的應用，這種具有垂直線性導軌之定位裝置的系統剛性經常不足。特別是，一垂直線性導軌並不能保證垂直軸有足夠強度的旋轉剛性。此外，具有位移楔形和額外垂直線性導軌的設計在技術上非常複雜且經濟上非常昂貴。

此外，從EP 1 911 551 A1已知一種具有二個平行線性平移致動器的定位裝置，經由二個分別平行定向的傾斜推進表面，該等致動器耦合到一被定位的承載元件。該等推進表面二者係彼此相對傾斜，使得致動器軸線二者的同步位移造成該承載元件的上升或下降。佈置在該承載元件相對側上之二個分別傾斜的線性導軌軌道，形成該等傾斜推進表面二者。然而對於許多在高精度定位領域中的應用，這種定位裝置沒有提供足夠強度的系統剛性，特別是也沒有提供足夠強度的旋轉剛性。

因此，本發明的目的一方面技術上簡化從現有技術已知之具有滑動元件的定位裝置，且另一方面提高它們的系統剛性。

根據請求項1的一定位裝置解決這個目的。本發明的優選實施例係附屬項的標的。

根據請求項1前言的該定位裝置-如同例如從EP 1 911 551 A1已知的-包含一基底元件、一相對於該基底元件沿z軸被定位的承載元件、及至少一個第一和一個第二滑動元件，其中一方面藉由一第一或第二基底引導裝置沿在該基底元件上的一第一或第二基線，而另一方面藉由一第一或第二上升引導裝置沿在該承載元件上的一第一或第二上升線，該第一或第二滑動元件可位移地佈置。在這種情況下，該第一或第二上升線和該第一或第二基線彼此平行地運行於沿z軸的投影，且相對於z軸具有分別不同的固定傾斜角。在這種情況下，該等上升線或基線相對應於該分別的上升或基底引導裝置的引導路徑或位移路徑。

此外，提供了該第一和該第二上升引導裝置以這樣方式相對於彼此地配置，即在至少一個投影垂直於z軸情形下，該第一和該第二上升線相對於z軸彼此反向傾斜。

這種該上升引導裝置的反向配置具有的效果是，由於該第一和該第二滑動元件相對於該基底沿該基底引導裝置的同步位移，該承載元件相對於該基底元件只沿z軸位移，且由此防止該承載元件橫向於z軸的共同移動。這是因為它們反向傾斜的結果是，該第一和該第二上升引導裝置各自相互阻止該承載元件沿該第一或第二基底引導方向或基線的橫向移動。因此限制該承載元件於Z軸移動之額外垂直導軌可以被省掉。

本發明意義上的「該等滑動元件的同步位移」意味著沿該第一或第二基線之該第一和第二滑動元件的分別位移移動彼此以這樣方式匹配，即在沿該第一或第二基線的同步位移期間，該第一和該第二滑動元件以相同量沿z軸位移該承載元件。該等滑動元件的分別位移移動取決於該第一或第二上升線相對於z軸的傾斜。

為了提高系統剛性，再進一步特別是該定位裝置的旋動剛性，根據本發明提供了該定位裝置進一步包含一第三和一第四滑動元件。在這種情況下，一方面藉由一第三或第四基底引導裝置沿在該基底元件上的一第三或第四基線，而另一方面藉由一第三或第四上升引導裝置沿在該承載元件上的一第三或第四上升線，該第三或第四滑動元件可位移地佈置。該第三或第四上升線和該第三或第四基線彼此平行地運行於沿z軸的投影，且相對於z軸具有分別不同的固定傾斜角。此外，該第三和該第四上升引導裝置以這樣方式相對於彼此地配置，即在至少一個投影垂直於z軸情形下，該第三和該第四上升線相對於z軸彼此反向傾斜，使得該第一、第二、第三、和第四滑動元件相對於該基底元件的同步位移產生該承載元件相對於該基底元件只沿z軸位移。

不是四個滑動元件，而是原則上具有相互阻止作用以限制該承載元件移動沿z軸位移的不同數量滑動元件也是可行。因此，例如，可配置五個或更多個滑動元件於一多邊形的構造，於z軸四周均勻地分佈。然而優選地，具有相互阻止作用的成對滑動元件出現在每一種情況下，這是相對於彼此的配置，使得在至少一個投影垂直於z軸情形下，各別部分的上升線二者係相對於z軸彼此反向傾斜。

根據本發明的一優選實施例，該第一、第二、第三、及/或第四基線運行於一垂直於z軸的平面。可進一步提供該第一、第二、第三、和第四基線於z軸四周均勻地分佈。替代地或另外地，該第一、第二、第三、和第四基線係相對於z軸構造成軸對稱。進一步可行的是該第一、第二、第三、和第四上升線係相對於z軸構造成軸對稱。由於上述措施的結果，特別是簡化該定位裝置結構的技術複雜性。此外，簡化了該滑動元件沿該基線的同步位移移動。

該等基底引導裝置或該等基線基本上可具有任意的形狀，在此它們不會沿z軸彎曲，而是具有一相對於z軸大於0°且小於180°的固定傾斜角。同樣應用於該等上升引導裝置或該等上升線，在此該等上升引導裝置或該等上升線的傾斜角不同於該等分別相對應基底引導裝置或基線的傾斜角。例如，配置在一垂直於z軸的平面中並在該平面中具有一彎曲輪廓的基底引導裝置是可行的。然而特別優選地，該等基底及/或上升引導裝置係構造為線性導軌。因此，根據本發明的一優選實施例提供了該等第一和第二基線係直線，特別是彼此沿x軸平行運行而垂直於z軸，且提供了該等第三和第四基線係直線，特別是彼此沿y軸平行運行而垂直於x軸和z軸。

如果該等基線是直線，即該等基底引導裝置構造為線性導軌，適宜的情況是在這樣實施例中，該等分別相對應上升線也是直線，或該等分別相對應上升引導裝置構造為線性導軌，因為根據本發明，該等上升線運行於沿z軸平行於該等分別相對應基線的投影。

根據本發明一進一步的優選實施例，提供了該第一、第二、第三、及/或第四基線包含一球軸承、交叉滾珠軸承、滾動軸承、或鳩尾導軌。另外地或替代地，可提供該第一、第二、第三、及/或第四上升引導裝置包含一球軸承、交叉滾珠軸承、滾動軸承、或鳩尾導軌。

為了實現該分別相對應基線和上升線的不同傾斜角，根據本發明一進一步的優選實施例可提供該第一、第二、第三、及/或第四滑動元件各自包含一楔形體，優選地在該楔形體上該等相對應基底引導裝置和上升引導裝置配置在該楔形體上的相反發散側，在此該楔形的開口角對應於在相對於z軸之該基線傾斜角和該相對應上升線傾斜角之間的角度差異。

類似地，可提供該承載元件包含一第一、第二、第三、及/或第四楔形體，分別地該第一、第二、第三、或第四上升引導裝置佈置在該楔形體上。也可以該承載元件具有一第一、第二、第三、及/或第四傾斜面，分別地該第一、第二、第三、或第四上升引導裝置佈置在該傾斜面上。

沿該基線之該滑動元件位移移動和沿z軸之該承載元件所得到的位移移動之間的轉移可藉由該分別的上升線和相對應基線的傾斜角選擇來調整。在一特別的優選實施例中，該第一、第二、第三、和第四上升線各自相對於z軸圍住一在45°和85°之間的角度，特別是在60°和80°之間，優選地在71°和79°之間。

在本發明一進一步的優選實施例中，該基底元件包含一板，特別是一具有通口之框架狀的板。同樣，可提供該承載元件包含一框架，特別是一矩形，優選地正方形框架。這種設計的結果是一具有系統剛性較強的特別剛性定位裝置。

在該定位裝置非常簡潔設計的觀念中，可進一步提供該第一和該第二上升引導裝置佈置在該承載元件的相反側上，及/或提供該第三和該第四上升引導裝置佈置在該承載元件的相反側上。

為了該第一、第二、第三、和第四滑動元件的同步位移，根據本發明一進一步的實施例，該定位裝置可包含至少一個驅動裝置，特別是一用於所有該等滑動元件的共用驅動裝置，或用於該第一、第二、第三、和第四滑動元件之分別地一個獨立驅動裝置。

任何類型的驅動器可用於驅動裝置，例如，線性致動器或旋轉致動器、壓電致動器、主軸驅動器、線性馬達、步進馬達、伺服馬達、或類似物。

根據本發明一特別優選的實施例，提供了至少一個驅動裝置包含一旋轉驅動器及一耦合元件，該旋轉驅動器具有平行於z軸的旋轉軸，其中該耦合元件以這樣方式將該旋轉驅動器耦合到該第一、第二、第三、和第四滑動元件，使得該旋轉驅動器的旋轉移動，產生該第一、第二、第三、和第四滑動元件沿該等分別的基線同步位移。為了此目的，可提供該耦合元件包含一與該旋轉軸剛性連接的旋轉體及至少一個耦合構件，該耦合構件以一末端在該等滑動元件的一個上而另一末端與在該旋轉體上之旋轉軸徑向隔開的方式，相對於旋轉軸被旋轉地安裝。

本發明的進一步目的、優點、和可能應用可從附圖中描繪之本發明示例性實施例的以下敘述所獲得。

1‧‧‧定位裝置

2‧‧‧基底元件

3‧‧‧承載元件

4‧‧‧板

5‧‧‧框架

6‧‧‧耦合元件

7‧‧‧旋轉體

8‧‧‧耦合構件

9‧‧‧驅動裝置

11‧‧‧第一滑動元件

12‧‧‧第二滑動元件

13‧‧‧第三滑動元件

14‧‧‧第四滑動元件

21‧‧‧第一基底引導裝置

22‧‧‧第二基底引導裝置

23‧‧‧第三基底引導裝置

24‧‧‧第四基底引導裝置

31‧‧‧第一上升引導裝置

32‧‧‧第二上升引導裝置

33‧‧‧第三上升引導裝置

34‧‧‧第四上升引導裝置

41‧‧‧第一楔形體

42‧‧‧第二楔形體

43‧‧‧第三楔形體

44‧‧‧第四楔形體

121‧‧‧第一基線

122‧‧‧第二基線

123‧‧‧第三基線

124‧‧‧第四基線

131‧‧‧第一上升線

132‧‧‧第二上升線

133‧‧‧第三上升線

134‧‧‧第四上升線

α‧‧‧傾斜角

在附圖中：第1圖顯示根據本發明之一定位裝置的可能示例性實施例的立體圖；第2圖顯示根據第1圖該定位裝置的分解圖；第3圖顯示根據第1圖該定位裝置的平面圖；第4圖顯示沿z軸之根據第1圖該定位裝置的剖面圖；和第5圖顯示沿y軸之根據第1圖該定位裝置的側視圖。

第1至5圖顯示根據本發明之一定位裝置1的可能示例性實施例。該定位裝置1包含一平的基底元件2以及一相對於該基底元件2沿z軸被定位的承載元件3，該基底元件2構造為一具有通口之框架狀的板4，該承載元件也構造成呈一方形框架5的形式。

為了該承載元件3沿z軸的位移，該定位裝置1進一步包含一第一、一第二、一第三、及一第四滑動元件11、12、13、14。在此情況下，該等四個滑動元件11、12、13、14配置成可在垂直於z軸的一共同平面來位移，並可在該承載元件3與該基底元件2之間於z軸四周均勻地分佈的一矩形構造來位移。

一第一、第二、第三、或第四基底引導裝置21、22、23、24和一第一、第二、第三、或第四上升引導裝置31、32、33、34分別地佈置在該第一、第二、第三、和第四滑動元件11、12、13、14上。

藉由該第一或第二基底引導裝置21、22，該第一或第二滑動元件11、12可相對於該基底元件2沿一第一或第二基線121、122來移動，基線係沿垂直於z軸的x軸而延伸。因此，藉由一第三或第四基底引導裝置23、24，該第三或第四滑動元件13、14在該基底元件2上沿一第三或第四基線123、124線性可位移地佈置，基線係沿垂直於x和y軸的y軸延伸。

該等各別基底引導裝置21、22、23、24各自佈置在該等滑動元件11、12、13、14的一基底側上，構造成楔形體。該等各別的上升引導裝置31、32、33、34佈置在相對於該各別基底側之該等楔狀滑動元件11、12、13、14的斜邊上，藉由該等上升引導裝置，該等滑動元件11、12，13、14可沿第一、第二、第三、或第四上升線131、132、133、134線性位移而與該承載元件3的相對應傾斜面連接。

在該承載元件3上的該等斜邊各自藉由第一、第二、第三、或第四楔形體41、42、43、44而形成，該等第一、第二、第三、或第四個上升引導裝置31、32、 33、34分別地佈置在該等斜邊上。這些楔形體41、42、43、44相對應於該等楔狀滑動元件11、12、13、14配置成一長方形的構造而於z軸四周均勻地分佈在該框架狀承載元件3的外側上。為了使該等楔形體與該承載元件3的框架5更好的連接，從該框架5構造的四個壁元件各自於該框架的一個角落突出，使該等楔形體41、42、43、44各自緊靠於配置彼此成直角之該框架5的兩個壁。藉此，往往額外地增加該定位裝置1的系統剛性。

特別是，如在第3和5圖中可看出，該等上升線131、132、133、134和該等相對應的基線121、122、123、124各自配置平行於沿z軸的投影上，特別是在每個案例中彼此一致。該等四個上升線的每條和該等相對應四個基線的每條，相對於z軸具有一固定的傾斜角，其中該等各別相對應上升線和基線的傾斜角是不同的。在本示例性實施例中，該等基線的傾斜角相對於z軸是90°。相比之下，該等楔形滑動元件11、12、13、14各自的上升線或傾斜面相對於z軸圍住一個約76°的傾斜角α。優選地該傾斜角α應位在71°和79°之間的範圍中。

在沿y軸的投影中，根據本發明的方式，該等楔形之第一和第二滑動元件11、12和相對應之該等第一和第二上升引導裝置31、32的傾斜面相對於彼此反向傾斜地定向。同樣地，在沿x軸的投影中，根據本發明該等楔形之第三和第四滑動元件13、14和相對應之該等第三和第四上升引導裝置33、34的傾斜面相對於彼此反向傾斜地定向。結果，由於該等滑動元件和該等上升引導裝置的反向傾斜配置，該第一和該第二滑動元件11、12沿x軸在反向方向的同步位移，及該第三和該第四滑動元件13、14沿y軸在反向方向的同步位移，實現了產生該承載元件3只沿z軸位移。這是因為它們反向傾斜的結果，該第一和該第二上升引導裝置31、32或該第三和第四上升引導裝置33、34各自相互阻止該承載元件沿x或y軸的橫向移動。因此限制該承載元件於z軸移動之沿z軸的額外直線導軌可以被省掉。

在本示例性實施例中，所有該等基底引導裝置21、22、23、24和上升引導裝置31、32、33、34構造為具有滾子軸承的線性導軌。當然，其他類型和設計的線性導軌也是可行。

為了該等四個滑動元件11、12、13、14的同步位移，根據該本示例性實施例的該定位裝置1具有一用於所有四個滑動元件11、12、13、14的共同驅動裝置。該共同驅動裝置包含一旋轉驅動器9及一耦合元件6，該旋轉驅動器具有平行於z軸的旋轉軸，此該耦合元件將該旋轉驅動器耦合到該第一、第二、第三、和第四滑動元件11、12、13、14，使得該旋轉驅動器9的旋轉移動，產生該第一、第二、第三、和第四滑動元件11、12、13、14沿該等分別的基線同步位移，即沿著x或y軸。為了此目的，該耦合元件6包含一與該旋轉軸剛性連接的旋轉體7及總共四個耦合構件8，該等耦合構件以一末端在該等滑動元件11、12、13、14的每一個上而另一末端與在該旋轉體7上之旋轉軸徑向隔開的方式，相對於旋轉軸被旋轉地安裝。

該等四個上升引導裝置31、32、33、34相對於z軸相同傾斜角的結果，該驅動裝置繞著z軸旋轉產生所有四個滑動元件11、12、13、14的同步位移，滑動元件又均勻地沿z軸抬起該承載元件3。特別是該等四個滑動元件之矩形或正方形配置的特徵為用於高精度應用的足夠強度系統剛性。