WO2008034475A1 - Positioniereinrichtung in portalbauweise - Google Patents

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scale
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scanning
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Ralph Coleman
Laurent Heiniger
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Definitions

  • the invention relates to a positioning device in gantry design. Such positioning devices find application in many fields of technology.
  • Positioning devices in gantry design in which between two parallel linear guides a crossbar is movably mounted, on which by means of another linear guide a functional element is movably mounted, so that this functional element in a plane between the two paraiieien linear guides is freely positio ⁇ ierbar, have long been state of the art .
  • a functional element for example, a gripper of a placement machine, a laser of a laser machining center or a touch probe of a coordinate measuring machine come into question.
  • Position measuring devices consisting of scales with associated scanning heads are based on the scanning of periodic structures on the scale. If the scale and scanning head move relative to one another, the scanning head generates periodic signals from which the relative displacement can be derived.
  • the structures on the scale can also be executed in such a way that an absolute position information can be read. This succeeds either with reference marks or with absolutely coded traces on the scale.
  • Such position measuring devices are widely used in the field of positioning, so that a more detailed description of the operation is unnecessary.
  • both EP 0 082 441 A2 and US Pat. No. 6,949,733 B2 for gantry-type positioning devices recommend the use of position measuring devices based on the scanning of parts arranged on a scale. are based on In addition to the usual incremental track with very many graduation lines arranged transversely to the measuring direction (hereinafter referred to as measuring track), the scales also carry an additional measuring structure with few graduation lines extending in the measuring direction over the entire measuring length (hereinafter referred to as straightness track) ). Because of the ability to derive small position deviations from this straightness track transverse to the actual measurement direction, such scales are also referred to as 1 D + - scales.
  • the cross bar with linear guide is also referred to below as the transverse guide.
  • the object of the invention is to provide a positioning device in gantry design, in which the influence of the thermal expansion of the transverse guide on the positioning of the functional element can be detected and compensated.
  • a portal-type positioning device is described,
  • transverse guide extending substantially in a second direction perpendicular to the first direction and secured to the two X-carriages and slidably supporting a Y-carriage in the second direction;
  • At least one X-position measuring device with a scale and an associated scanning head for determining the position of
  • a Y-position measuring device with a scale and an associated scanning head for determining the position of the Y-carriage on the transverse guide, wherein the scale of the Y-position measuring device on the transverse guide and the associated scanning head on the Y-
  • Carriage is attached, - A -
  • the scale of the Y-position measuring device is connected to the transverse guide so that it is firmly connected to the transverse guide at a fixed point with respect to the second direction
  • the elongated scale in the first direction with a straightness track can be real or virtual, as can its associated scanning head.
  • a virtual design means that position values are derived from two real position measuring devices, each with a scale with straightness track and associated scanning head, and combined to form a single position value, which can then be used as the measured value of the virtual position measuring device.
  • FIG. 2 shows the first positioning device in a side view
  • FIG. 3 shows a second positioning device in a plan view.
  • Figure 1 shows a first positioning device in gantry design. Two in a first direction X extended, parallel to each other arranged linear guides 1.1, 1.2, each holding a carriage 2.1, 2.2 in the first direction X slidably. In order to be able to differentiate the carriages 1.1, 1.2 linguistically from other carriages, these are also referred to below as X carriages 2.1, 2.2.
  • a transverse guide 5 is arranged, which extends substantially perpendicular to the first direction X in a second direction Y.
  • another carriage 12 is slidably held in the second direction Y, which is why this second carriage 12 is also referred to below as the Y-carriage 12.
  • the transverse guide 5 is connected to one of the two X-carriages 2.1 via a joint 6, which allows only pivoting about the Z-axis of the joint, but no movement in the second direction Y.
  • a flexible coupling 7 of the transverse guide 5 on the second X-carriage 2.2 allows such movement in the second direction Y.
  • a functional element 13 fastened to the Y carriage 12 can thus be positioned in a working area between the two linear guides 1.1, 1.2 extended in the first direction.
  • a functional element 13 various means can be used. In addition to tools for gripping, processing or measuring, this can also be a table fastened on the Y carriage 12. which is used to position an object to be processed. A further axis in a third direction Z can serve to move the functional element perpendicular to the XY working plane.
  • FIG. 1 shows two X-position measuring devices, each consisting of scales 3.1 and 3.2 attached to the linear guides 1.1 and 1.2 and scanning heads 4.1 and 4.2 assigned to the scales 3.1 and 3.2.
  • the scanning heads 4.1, 4.2 are integrated in the X-carriages 2.1, 2.2.
  • the two X-position measuring devices are used to determine the position of the two X-carriages 2.1, 2.2 and thus to determine the position of the transverse guide 5, which is indeed attached to the two X-carriage 2.1, 2.2.
  • a further position measuring device is attached, which serves to determine the position of the Y-carriage in the second direction Y.
  • This measuring device also referred to below as a Y-position measuring device, consists of a scale 8 fixed to the transverse guide 5 and a scanning head 9 integrated in the Y-carriage 12 for scanning the scale 8.
  • the Y-carriage 12 and thus the functional element 13 can be moved to any desired desired position within the working range.
  • the linear guides 1.1 and 1.2 and in the transverse guide 5 linear motors are integrated or cultivated as a drive.
  • a further scale 10 which is arranged longitudinally parallel to and between the linear guides 1.1, 1.2 in the first direction X, carries a straightness track 14 for measuring displacements of the transverse guide 5 in the second direction Y.
  • a corresponding scanning head 11 is provided for scanning the straightness track 14 attached to the transverse guide 5.
  • the scale 10 itself is connected to the machine bed 16 and thus arranged at the "thermal zero point" of the positioning device.
  • each of the three scales 3.1, 3.2, 10 shown in FIG. 1 and extending in the first direction X can serve this purpose if it carries a corresponding track.
  • the scale 10 could carry a measuring track for the first measuring direction X in addition to its straightness track 14.
  • This scale 10 would then be a 1 D + scale described above.
  • the scale 8 of the Y-measuring device is attached to the transverse guide 5 so that it is connected to a fixed point 15 with respect to the second direction Y fixed to the transverse guide 5. Otherwise, this scale 8 is "floating" in the second direction Y, e.g. held on the transverse guide via a flexible adhesive layer. This causes the scale 8 as a whole to move with the fixed point 15, if this e.g. is displaced by thermal expansion of the transverse guide 5 relative to the machine bed 16.
  • the scale 8 itself, which in this embodiment consists of a material with a negligible coefficient of expansion (such as Zerodur) does not change its length. Thanks to the floating attachment, there are no tensions between the transverse guide 5 and the scale 8.
  • the fixed point 15 is placed so that it coincides in the plan view of Figure 1 with the straightness 14, regardless of the position of the crossbar 5 in the first direction X.
  • the fixed point 15 and the straightness track 14 have the same Y position in a machine-related coordinate system X, Y, Z. while the Z coordinate is different.
  • the straightness track 14 extends in the first direction X so far that every possible X position of the transverse guide 5 and thus the scanning head 11 is covered.
  • the fixed point 15 lies vertically above the straightness track with respect to the first and second directions X, Y.
  • a solder that has been cut through the fixed point 15 in a plane spanned by the first and second directions X, Y intersects the straightness track 14, independently of the X position and the thermal expansion of the transverse guide 5.
  • FIG. 2 is a side view of the positioning device illustrated in FIG. 1, with which the arrangement of the thermal fixing point 15 above the straightness track 14 should once again be clarified.
  • "above” means a different Z coordinate with matching X and Y coordinates.
  • the fixed point 14 is thus perpendicular to the straightness track 14 with respect to the first and second directions X, Y.
  • the scanning head 11 for scanning the straightness track 14 is also perpendicular to the first and second directions X, Y offset to the straightness track 14, said scanning head 11 and the fixed point 15 may be completely offset in both the first direction X and in the third direction Z to each other.
  • FIG. 3 represents another possibility of solving the stated problem by using scales with straightness traces.
  • the structure of the positions Neater device is largely consistent with the structure shown in Figure 1. Identical components are therefore designated by the same reference numerals.
  • the two scales 10.1, 10.2 with the straightness tracks 14.1, 14.2 are used here to calculate a measured value of a virtual position measuring device whose virtual straightness track 14 'is below the fixed point 15, as in the first exemplary embodiment, and thus again the offset of the Fixed point 15 supplies.
  • Such an arrangement, in which a measured value of a single, virtual position-measuring device is derived from two position-measuring devices, is also referred to as a "phantom-scale" arrangement.
  • the virtual scale 10 'thus considered and its virtual scanning head 1 1' correspond to the actually existing scale 10 and the actually existing scanning head 11 of FIGS. 1 and 2.
  • the first and second embodiments are equivalent thereto.
  • y1 and y2 are the two displacements of the transverse guide 5 in the second direction Y derived from the scanning heads 11.1 and 11.2
  • d1 is the distance of the fixed point 15 from the straightness track 14.1 from which y1 was derived
  • d2 is the distance between the two straightness tracks 14.1 and 14.2.
  • the offset dy to be corrected is thus a weighted average of the two displacements y1, y2 read by the scales 10.1, 10.2.
  • the corrected position of the Y-carriage 12 is then read by the scale 8 by means of the scanning head 9 position, minus the shift dy of the fixed point 15th
  • the two scales 10.1 and 10.2 are implemented as 1D + scales, they have measuring tracks for the first direction X in addition to the straightness tracks 14.1 and 14.2, then these scales 10.1 and 10.2 can be the scales 3.1 attached to the linear guides 1.1, 1.2 , 3.2 completely replace. The number of scales extended in the first direction X can thus be reduced compared with the first embodiment, while still providing all the information required.
  • a slight tilting of the transverse guide 5 can be detected about the rotation axis 6 and set to a desired value. Such a tilt by a few
  • Degree may possibly even be advantageous, for example if the functional element 13 is a table on which an object can be positioned on the one hand in the first and second direction, and as a further degree of freedom a rotation of a few degrees is adjustable. So can For example, a twisted silicon wafer deposited on the table can be aligned with respect to the first and second directions X, Y.
  • a positioning device of the type described here If a positioning device of the type described here is switched on, it must first be determined where the fixed point 15 is currently located relative to the straight track 14. A value stored at the last switch-off may not be correct anymore, as the temperature of the lateral guide 5 may have changed.
  • a reference point can be approached with the functional element 13, or oblique reference marks are used in addition to the straightness track 14, 14.1, 14.2, 14 ', as described in the German Patent Application 10 2005 984.6, which was not previously published. Such reference marks make it possible to read the current position of the fixed point 15 directly.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Positioniereinrichtung in Portalbauweise. Durch eine besondere Anordnung der zum Positionieren verwendeten Positionsmessgeräte können Fehler durch thermische Ausdehnung der Positioniereinrichtung weitgehend vermieden werden. Insbesondere wird auf die vorteilhafte Anordnung des Fixpunkts (15) eines Maßstabes (8) relativ zu einer Geradheitsspur (14) eines weiteren Maßstabes (10) geachtet.

Description

Positioniereinrichtung in Portalbauweise
Die Erfindung betrifft eine Positioniereinrichtung in Portalbauweise. Solche Positioniereinrichtungen finden in vielen Gebieten der Technik Anwendung.
Positioniereinrichtungen in Portalbauweise, bei denen zwischen zwei parallelen Linearführungen ein Querbalken beweglich gelagert ist, auf welchem mittels einer weiteren Linearführung ein Funktionselement beweglich gelagert ist, so dass dieses Funktionselement in einer Ebene zwischen den beiden paraiieien Linearführungen frei positioπierbar ist, sind seit langem Stand der Technik. Als Funktionselement kommt beispielsweise ein Greifer eines Bestückungsautomaten, ein Laser eines Laser - Bearbeitungszentrums oder auch ein Tastsystem einer Koordinatenmessmaschine in Frage.
In allen diesen Anwendungen, von denen es für Positioniereinrichtungen in Portalbauweise noch einige mehr gibt, spielt die möglichst genaue Positionierung des Funktionselements eine entscheidende Rolle. Daher wird oft ein großer Aufwand betrieben, um mit möglichst genauen Positionsmessgeräten das Funktionselement möglichst genau zu positionieren.
Positionsmessgeräte bestehend aus Maßstäben mit zugeordneten Abtastköpfen beruhen auf der Abtastung von periodischen Strukturen auf dem Maßstab. Bewegen sich Maßstab und Abtastkopf relativ zueinander, erzeugt der Abtastkopf periodische Signale, aus denen sich die relative Verschie- bung ableiten lässt. Die Strukturen auf dem Maßstab lassen sich dabei auch so ausführen, dass eine absolute Positionsinformation ablesbar ist. Dies gelingt entweder mit Referenzmarken oder mit absolut codierten Spuren auf dem Maßstab. Solche Positionsmessgeräte werden im Gebiet der Positioniereinrichtungen umfangreich eingesetzt, so dass sich eine genauere Be- Schreibung der Funktionsweise erübrigt.
Es empfehlen sowohl die EP 0 082 441 A2 als auch die US 6,949,733 B2 für Positioniereinrichtungen in Portalbauweise den Einsatz von Positionsmessgeräten, die auf der Abtastung von auf einem Maßstab angeordneten Tei- lungen beruhen. Die Maßstäbe tragen dabei neben der üblichen Inkremen- talspur mit sehr vielen, quer zur Messrichtung angeordneten Teilungsstrichen (im Folgenden als Messspur bezeichnet) auch noch eine zusätzliche Messstruktur mit wenigen, dafür aber über die ganze Messlänge erstreckten Teilungsstrichen in Messrichtung (im Folgenden als Geradheitsspur bezeichnet). Wegen der Möglichkeit, von dieser Geradheitsspur kleine Positionsabweichungen quer zur eigentlichen Messrichtung abzuleiten, werden solche Maßstäbe auch als 1 D+ - Maßstäbe bezeichnet. In beiden zitierten Dokumenten aus dem Stand der Technik werden solche 1 D+ - Maßstäbe dazu verwendet, Führungsfehler und Verkippungen zu messen und bei der Positionierung zu berücksichtigen. Dabei werden zum Teil auch solche Fehler berücksichtigt, die durch thermische Ausdehnung von einzelnen Bestandteilen der Positioniereinrichtung zustande kommen. Mit keiner der in diesen Dokumenten gezeigten Anordnungen ist es aber möglich, die thermi- sehe Ausdehnung des Querbalkens vollständig zu erfassen und zu kompensieren. Gerade dieser Querbalken ist aber üblicherweise besonders von solchen Ausdehnungen betroffen, wenn z.B. die Querachse mit einem auf dem Querbalken angeordneten Linearmotor angetrieben wird, dessen Abwärme den Querbalken erwärmt.
Der Querbalken mit Linearführung wird im Folgenden auch als Querführung bezeichnet.
1 D+ - Maßstäbe und darauf beruhende Messgeräte sind näher in der nicht vorveröffentlichten deutschen Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen 10 2005 023 984.6 beschrieben.
Aus der DE 42 12 970 A1 ist es außerdem bekannt, dass es zur Kompensation thermischer Ausdehnungen beim Messen einer Position wichtig ist, den Fixpunkt eines ansonsten schwimmend, also auf seiner Unterlage mittels einer flexiblen Klebeschicht beweglich befestigten Maßstabes geschickt zu wählen. An diesem Fixpunkt ist der Maßstab fest mit seinem Träger verbun- den, so dass der Maßstab bei thermischer Verlagerung dieses Fixpunktes mitbewegt wird. Aufgabe der Erfindung ist es, eine Positioniereinrichtung in Portalbauweise anzugeben, bei der der Einfluss der thermischen Ausdehnung der Querführung auf die Positionierung des Funktionselements erfasst und kompensiert werden kann.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruches 1. Vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Merkmalen, die in den von Anspruch 1 abhängigen Ansprüchen aufgeführt sind.
Es wird eine Positioniereinrichtung in Portalbauweise beschrieben,
mit zwei in einer ersten Richtung erstreckten, parallelen Linearführungen, die jeweils einen X-Laufwagen in der ersten Richtung verschiebbar halten,
mit einer im Wesentlichen in einer zur ersten Richtung senkrecht stehenden zweiten Richtung erstreckten Querführung, die an den beiden X-Laufwagen befestigt ist und einen Y-Laufwagen in der zweiten Richtung verschiebbar hält,
- wodurch ein am Y-Laufwagen befestigtes Funktionselement in einem Arbeitsbereich zwischen den beiden in der ersten Richtung erstreckten Linearführungen positionierbar ist,
mit wenigstens einem X-Positionsmessegerät mit einem Maßstab und einem zugeordneten Abtastkopf zum Bestimmen der Lage der
Querführung in der ersten Richtung,
mit einem Y-Positionsmessgerät mit einem Maßstab und einem zugeordneten Abtastkopf zum Bestimmen der Lage des Y-Laufwa- gens auf der Querführung, wobei der Maßstab des Y-Positionsmess- gerätes an der Querführung und der zugeordnete Abtastkopf am Y-
Laufwagen befestigt ist, - A -
mit einem in der ersten Richtung längserstreckten Maßstab, der eine Geradheitsspur aufweist, zur Messung von Verlagerungen der Querführung in der zweiten Richtung anhand eines an der Querführung befestigten Abtastkopfes zur Abtastung der Geradheitsspur, wobei
der Maßstab des Y-Positionsmessgerätes mit der Querführung so verbunden ist, dass er an einem Fixpunkt bezüglich der zweiten Richtung fest mit der Querführung verbunden ist,
und dieser Maßstab des Y-Positionsmessgerätes ansonsten bzgl. der zweiten Richtung schwimmend mit der Querführung verbunden ist,
und der Fixpunkt bezüglich der ersten und zweiten Richtung senkrecht versetzt zur Geradheitsspur liegt,
so dass eine thermische Verlagerung des Fixpunktes durch die Ab- tastung der Geradheitsspur vollständig erfasst wird.
Der in der ersten Richtung längserstreckte Maßstab mit Geradheitsspur kann dabei ebenso wie sein zugeordneter Abtastkopf real oder virtuell ausgebildet sein. Virtuell ausgebildet bedeutet dabei, dass von zwei realen Positionsmessgeräten mit je einem Maßstab mit Geradheitsspur und zugehöri- gern Abtastkopf Positionswerte abgeleitet und zu einem einzigen Positionswert verbunden werden, der dann als Messwert des virtuellen Positionsmessgeräts verwendet werden kann.
Mit einer solchen Anordnung der Positionsmessgeräte an der Positioniereinrichtung in Portalbauweise lässt sich die Auswirkung der thermischen Aus- dehnung der Querführung auf die Positionierung des Funktionselements erfassen und kompensieren. Weitere Vorteile sowie Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen anhand der Figuren. Dabei zeigt
Figur 1 eine erste Positioniereinrichtung in der Draufsicht,
Figur 2 die erste Positioniereinrichtung in einer Seitenansicht,
Figur 3 eine zweite Positioniereinrichtung in einer Draufsicht.
Figur 1 zeigt eine erste Positioniereinrichtung in Portalbauweise. Zwei in einer ersten Richtung X erstreckte, parallel zueinander angeordnete Linearführungen 1.1 , 1.2, halten jeweils einen Laufwagen 2.1 , 2.2 in der ersten Richtung X verschiebbar. Um die Laufwagen 1.1 , 1.2 sprachlich von anderen Laufwagen unterscheiden zu können, werden diese im Folgenden auch als X-Laufwagen 2.1 , 2.2 bezeichnet.
Zwischen den beiden X-Laufwagen 1.1 und 1.2 ist eine Querführung 5 angeordnet, die sich im Wesentlichen senkrecht zur ersten Richtung X in einer zweiten Richtung Y erstreckt. Auf dieser Querführung 5 ist ein weiterer Laufwagen 12 in der zweiten Richtung Y verschiebbar gehalten, weswegen dieser zweite Laufwagen 12 im Folgenden auch als Y-Laufwagen 12 bezeichnet wird.
Die Querführung 5 ist an einem der beiden X-Laufwagen 2.1 über ein Ge- lenk 6 verbunden, das nur ein Schwenken um die Z-Achse des Gelenks erlaubt, aber keine Bewegung in der zweiten Richtung Y. Eine flexible An- kopplung 7 der Querführung 5 am zweiten X-Laufwagen 2.2 erlaubt dagegen eine solche Bewegung in der zweiten Richtung Y.
Ein am Y-Laufwagen 12 befestigtes Funktionselement 13 ist so in einem Arbeitsbereich zwischen den beiden in der ersten Richtung erstreckten Linearführungen 1.1 , 1.2 positionierbar.
Als Funktionselement 13 können verschiedenste Mittel zum Einsatz kommen. Neben Werkzeugen zum Greifen, Bearbeiten oder Messen kann es sich dabei auch um einen auf dem Y-Laufwagen 12 befestigten Tisch han- deln, mit dessen Hilfe ein zu bearbeitendes Objekt positioniert wird. Eine weitere Achse in einer dritten Richtung Z kann dazu dienen, das Funktionselement senkrecht zur X - Y - Bearbeitungsebene zu bewegen.
Um das Funktionselement 13 exakt positionieren können, sind verschiedene Positionsmessgeräte in den beiden Richtungen X, Y nötig. Nach der jeweiligen Messrichtung wird dabei im Folgenden zwischen X-Positionsmessgerä- ten und Y-Positionsmessgeräten unterschieden.
In der Figur 1 sind zwei X-Positionsmessgeräte gezeigt, die jeweils aus an den Linearführungen 1.1 und 1.2 angebrachten Maßstäben 3.1 und 3.2 so- wie den Maßstäben 3.1 und 3.2 zugeordneten Abtastköpfen 4.1 und 4.2 bestehen. Die Abtastköpfe 4.1 , 4.2 sind in die X-Laufwagen 2.1 , 2.2 integriert. Die beiden X-Positionsmessgeräte dienen der Bestimmung der Lage der beiden X-Laufwagen 2.1 , 2.2 und damit zum Bestimmen der Lage der Querführung 5, die ja an den beiden X-Laufwagen 2.1 , 2.2 befestigt ist.
Zwischen der Querführung 5 und dem Y-Laufwagen 12 ist ein weiteres Positionsmessgerät angebaut, das zum Bestimmen der Lage des Y-Laufwa- gens in der zweiten Richtung Y dient. Dieses im Folgenden auch als Y-Posi- tionsmessgerät bezeichnete Messgerät besteht aus einem an der Querführung 5 befestigten Maßstab 8 und einem im Y-Laufwagen 12 integrierten Abtastkopf 9 zur Abtastung des Maßstabes 8.
Regelt man die Positionen der X-Laufwagen 2.1 , 2.2 und damit der Querführung 5 und des Y-Laufwagens 12 mit entsprechenden Reglern, so lässt sich der Y-Laufwagen 12 und damit das Funktionselement 13 in jede gewünschte Sollposition innerhalb des Arbeitsbereiches verfahren. Hierzu sind in den Linearführungen 1.1 und 1.2 und in der Querführung 5 vorzugsweise nicht näher dargestellte Linearmotoren als Antrieb integriert oder angebaut.
Ein weiterer Maßstab 10, der in der ersten Richtung X längserstreckt parallel zu und zwischen den Linearführungen 1.1 , 1.2 angeordnet ist, trägt eine Geradheitsspur 14 zur Messung von Verlagerungen der Querführung 5 in der zweiten Richtung Y. Hierzu ist ein entsprechender Abtastkopf 1 1 zur Abtastung der Geradheitsspur 14 an der Querführung 5 befestigt. Der Maßstab 10 selbst ist mit dem Maschinenbett 16 verbunden und damit am "thermischen Nullpunkt" der Positioniereinrichtung angeordnet.
Es sei an dieser Stelle erwähnt, dass zur Messung der Position der Querführung 5 in der ersten Richtung X mindestens ein X-Positionsmessgerät vor- handen sein muss. Jeder der drei in der Figur 1 dargestellten, in der ersten Richtung X erstreckten Maßstäbe 3.1 , 3.2, 10 kann zu diesem Zweck dienen, wenn er eine entsprechende Spur trägt. Insbesondere könnte der Maßstab 10 zusätzlich zu seiner Geradheitsspur 14 eine Messspur für die erste Messrichtung X tragen. Bei diesem Maßstab 10 würde es sich dann um ei- nen oben beschriebenen 1 D+ - Maßstab handein. Mit weicher Konfiguration die Position der Querführung 5 in der ersten Richtung X gemessen wird, hängt letztlich von den konkreten Gegebenheiten und Anforderungen ab, und ist insbesondere für die vorliegende Erfindung nicht wesentlich. Zur Verwirklichung der Erfindung ist ausschließlich die Geradheitsspur 14 des Maßstabes 10 entscheidend.
Der Maßstab 8 des Y-Messgerätes ist an der Querführung 5 so befestigt, dass er an einem Fixpunkt 15 bezüglich der zweiten Richtung Y fest mit der Querführung 5 verbunden ist. Ansonsten ist dieser Maßstab 8 in der zweiten Richtung Y "schwimmend", also z.B. über eine flexible Klebeschicht an der Querführung gehalten. Dies bewirkt, dass der Maßstab 8 als Ganzes mit dem Fixpunkt 15 mitbewegt wird, falls dieser z.B. durch thermische Ausdehnung der Querführung 5 gegenüber dem Maschinenbett 16 verschoben wird. Der Maßstab 8 selbst, der in diesem Ausführungsbeispiel aus einem Material mit vernachlässigbarem Ausdehnungskoeffizient (wie z.B. Zerodur) be- steht, ändert seine Länge nicht. Dank der schwimmenden Befestigung entstehen keine Spannungen zwischen der Querführung 5 und dem Maßstab 8.
Um nun die Auswirkung von thermischen Längenänderungen der Querführung 5 vollständig kompensieren zu können, wird der Fixpunkt 15 so gelegt, dass er in der Draufsicht der Figur 1 mit der Geradheitsspur 14 zusammen- fällt, unabhängig von der Position des Querbalkens 5 in der ersten Richtung X. Der Fixpunkt 15 und die Geradheitsspur 14 weisen nämlich in einem maschinenbezogenen Koordinatensystem X, Y, Z die selbe Y-Position auf, während die Z - Koordinate unterschiedlich ist. Die Geradheitsspur 14 erstreckt sich in der ersten Richtung X so weit, dass jede mögliche X-Position der Querführung 5 und damit des Abtastkopfes 11 abgedeckt ist. In der Figur 1 liegt der Fixpunkt 15 bezüglich der ersten und zweiten Richtungen X, Y senkrecht oberhalb der Geradheitsspur. Ein durch den Fixpunkt 15 auf eine durch die erste und zweite Richtung X, Y aufgespannte Ebene gefälltes Lot schneidet die Geradheitsspur 14, unabhängig von der X-Position und der thermischen Ausdehnung der Querführung 5.
Mit dieser Anordnung von Fixpunkt 15 und Geradheitsspur 14 ist sicherge- stellt, dass das vom Abtastkopf 1 1 von der Geradheitsspur 14 abgetastete Positionssignal exakt die Verlagerung des Fixpunktes 15 wiedergibt. Da sich der Maßstab 8 des Y-Positionsmessgerätes selbst nicht ausdehnt, genügt es, die Messung des Y-Positionsmessgerätes um den von der Geradheitsspur 14 abgetasteten Wert der Verlagerung des Fixpunktes 15 zu koπϊgie- ren, um einen korrigierten, von allen (also auch von thermischen) Verlagerungen der Querführung 5 gegenüber dem Maschinenbett 16 freien Positionswert in der zweiten Richtung Y zu erhalten. Unabhängig von einer Erwärmung der Querführung 5 lässt sich so der Y-Laufwagen relativ zum Maschinenbett exakt positionieren.
Figur 2 ist eine Seitenansicht der in Figur 1 dargstellten Positioniereinrichtung, mit der noch einmal die Anordnung des thermischen Fixpunktes 15 oberhalb der Geradheitsspur 14 verdeutlicht werden soll. Dabei bedeutet "oberhalb" eine unterschiedliche Z-Koordinate bei übereinstimmenden X- und Y-Koordinaten. Der Fixpunkt 14 liegt damit bezüglich der ersten und zweiten Richtung X, Y senkrecht versetzt zur Geradheitsspur 14. Wie in Figur 1 und 2 zu erkennen ist, liegt auch der Abtastkopf 11 zur Abtastung der Geradheitsspur 14 bezüglich der ersten und zweiten Richtung X, Y senkrecht versetzt zur Geradheitsspur 14, wobei dieser Abtastkopf 11 und der Fixpunkt 15 durchaus sowohl in der ersten Richtung X als auch in der dritten Richtung Z zueinander versetzt sein können.
Figur 3 stellt eine weitere Möglichkeit dar, die gestellte Aufgabe unter Einsatz von Maßstäben mit Geradheitsspuren zu lösen. Der Aufbau der Positio- niereinrichtung stimmt weitgehend mit dem in der Figur 1 dargestellten Aufbau überein. Gleiche Bestandteile sind daher mit den gleichen Bezugszeichen benannt.
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel gibt es zwei Maßstäbe 10.1 und 10.2 mit je einer Geradheitsspur 14.1 , 14.2, die jeweils von an der Querführung 5 befestigten Abtastköpfen 11.1 , 1 1.2 abgetastet werden. Die beiden Maßstäbe 10.1 , 10.2 sind wieder parallel zu und zwischen den beiden Linearführungen 1.1 und 1.2 längserstreckt.
Somit besteht nun die Möglichkeit, die thermischen Verlagerungen der Querführung 5 an zwei in der zweiten Richtung Y beabstandeten Stellen zu erfassen.
Die Bewegung des Fixpunktes 15, an dem der Maßstab 8 mit der Querführung 5 verbunden ist, kann zwar nicht direkt gemessen werden, da der Fixpunkt 15 nun nicht wie im ersten Ausführungsbeispiel oberhalb einer der Geradheitsspuren 14.1 , 14.2 angeordnet ist. Aus den Messungen an den beiden Geradheitsspuren 14.1 , 14.2 kann aber diese Bewegung des Fixpunktes 15 abgeleitet werden.
Die beiden Maßstäbe 10.1 , 10.2 mit den Geradheitsspuren 14.1 , 14.2 werden dabei dazu verwendet, einen Messwert eines virtuellen Positionsmess- geräts zu berechnen, dessen virtuelle Geradheitsspur 14' ganz wie im ersten Ausführungsbeispiel unterhalb des Fixpunktes 15 liegt, und das damit wieder den Versatz des Fixpunktes 15 liefert. Eine solche Anordnung, bei der aus zwei Positionsmessgeräten ein Messwert eines einzigen, virtuellen Positionsmessgeräts abgeleitet wird, wird auch als "Phantom - Scale" Anord- nung bezeichnet. Der so berücksichtigte virtuelle Maßstab 10' und dessen virtueller Abtastkopf 1 1' entspricht dem real existierenden Maßstab 10 und dem real existierenden Abtastkopf 11 der Figuren 1 und 2. Das erste und zweite Ausführungsbeispiel sind damit äquivalent.
Für den vom virtuellen Maßstab 10' bzw. von dessen virtueller Geradheits- spur 14' abgeleiteten Positionswert und damit für die zu korrigierende Verlagerung dy des Fixpunktes 15 gilt: dy = y1 * ( 1 - d1/d2 ) + y2 * d1 / d2
wobei y1 und y2 die beiden von den Abtastköpfen 11.1 und 11.2 abgeleiteten Verlagerungen der Querführung 5 in der zweiten Richtung Y sind, d1 der Abstand des Fixpunktes 15 von der Geradheitsspur 14.1 ist, von dem y1 abgeleitet wurde, und d2 der Abstand der beiden Geradheitsspuren 14.1 und 14.2 ist. Der zu korrigierende Versatz dy ist damit ein gewichtetes Mittel aus den beiden von den Maßstäben 10.1 , 10.2 abgelesenen Verschiebungen y1, y2.
Die korrigierte Position des Y-Laufwagens 12 ist dann die vom Maßstab 8 mittels des Abtastkopfes 9 abgelesene Position, abzüglich der Verlagerung dy des Fixpunktes 15.
Die oben angegebene Formel für dy gilt dann, wenn sich die Querführung 5 hinreichend gleichmäßig über ihre ganze Länge ausdehnt bzw. sich über ihre ganze Länge gleichmäßig erwärmt. Für eine aus Aluminium gefertigte Querführung 5 gilt diese Annahme wegen der guten Wärmeleitfähigkeit von Aluminium recht gut.
Sind die beiden Maßstäbe 10.1 und 10.2 als 1 D+ - Maßstäbe ausgeführt, weisen sie also zusätzlich zu den Geradheitsspuren 14.1 und 14.2 noch Messspuren für die erste Richtung X auf, so können diese Maßstäbe 10.1 und 10.2 die an den Linearführungen 1.1 , 1.2 angebrachten Maßstäbe 3.1 , 3.2 vollständig ersetzen. Die Zahl der in die erste Richtung X erstreckten Maßstäbe lässt sich so gegenüber dem ersten Ausführungsbeispiel verringern, wobei dennoch alle benötigten Informationen zur Verfügung stehen.
Insbesondere kann wie auch im ersten Ausführungsbeispiel eine leichte Verkippung der Querführung 5 um die Drehachse 6 erfasst und auf einen gewünschten Wert eingestellt werden. Eine solche Verkippung um wenige
Grad (begrenzt durch die flexible Ankopplung 7) kann evtl. sogar vorteilhaft sein, etwa wenn das Funktionselement 13 ein Tisch ist, auf dem ein Objekt einerseits in der ersten und zweiten Richtung positionierbar ist, und als wei- terer Freiheitsgrad eine Drehung um wenige Grad einstellbar ist. So kann beispielsweise ein auf dem Tisch verdreht abgelegter Siliziumwafer bezüglich der ersten und zweiten Richtung X, Y ausgerichtet werden.
Wird eine Positioniereinrichtung der hier beschriebenen Art eingeschaltet, so muss zunächst festgestellt werden, wo sich der Fixpunkt 15 relativ zur Ge- radheitsspur 14 aktuell befindet. Ein beim letzten Ausschalten gespeicherter Wert stimmt möglicherweise nicht mehr, da sich die Temperatur der Querführung 5 verändert haben kann. Hierzu kann entweder mit dem Funktionselement 13 ein Referenzpunkt angefahren werden, oder es kommen schräge Referenzmarken zusätzlich zur Geradheitsspur 14, 14.1 , 14.2, 14' zur Anwendung, wie es in der eingangs genannten nicht vorveröffentlichten deutschen Patentanmeldung 10 2005 984.6 beschrieben ist. Solche Referenzmarken erlauben es, die aktuelle Lage des Fixpunktes 15 direkt auszulesen.

Claims

Ansprüche
1. Positioniereinrichtung in Portalbauweise,
mit zwei in einer ersten Richtung (X) erstreckten, parallelen Linearführungen (1.1 , 1.2), die jeweils einen X-Laufwagen (2.1 , 2.2) in der ersten Richtung (X) verschiebbar halten,
- mit einer im Wesentlichen in einer zur ersten Richtung senkrecht stehenden zweiten Richtung (Y) erstreckten Querführung (5), die an den beiden X-Laufwagen (2.1 , 2.2) befestigt ist und einen Y-Laufwa- gen (12) in der zweiten Richtung (Y) verschiebbar hält,
- wodurch ein am Y-Laufwagen (12) befestigtes Funktionselement (13) in einem Arbeitsbereich zwischen den beiden in der ersten
Richtung (X) erstreckten Linearführungen (1.1 , 1.2) positionierbar ist,
mit wenigstens einem X-Positionsmessegerät mit einem Maßstab (3.1 , 3.2, 10) und einem zugeordneten Abtastkopf (4.1 , 4.2, 11 ) zum Bestimmen der Lage der Querführung (5) in der ersten Richtung (X),
- mit einem Y-Positionsmessgerät mit einem Maßstab (8) und einem zugeordneten Abtastkopf (9) zum Bestimmen der Lage des Y-Lauf- wagens (12) auf der Querführung (5), wobei der Maßstab (8) des Y- Positionsmessgerätes an der Querführung (5) und der zugeordnete Abtastkopf (9) am Y-Laufwagen (12) befestigt ist,
- mit einem in der ersten Richtung (X) längserstreckten realen oder virtuellen Maßstab (10, 10'), der eine reale oder virtuelle Geradheitsspur (14, 14') aufweist, zur Messung von Verlagerungen der Querführung (5) in der zweiten Richtung (Y) anhand eines an der Querführung (5) befestigten realen oder virtuellen Abtastkopfes (1 1 , 1 1') zur Abtastung der Geradheitsspur (14, 14'),
dadurch gekennzeichnet, - dass der Maßstab (8) des Y-Positionsmessgerätes mit der Querführung (5) so verbunden ist, dass er an einem Fixpunkt (15) bezüglich der zweiten Richtung (Y) fest mit der Querführung (5) verbunden ist,
dass dieser Maßstab (8) des Y-Positionsmessgerätes ansonsten be- züglich der zweiten Richtung (Y) schwimmend mit der Querführung
(5) verbunden ist,
dass der Fixpunkt (15) bezüglich der ersten und zweiten Richtung (X, Y) senkrecht versetzt zur Geradheitsspur (14, 14') liegt,
so dass eine thermische Verlagerung des Fixpunktes (15) in der zweiten Richtung (Y) durch die reale oder virtuelle Abtastung der Geradheitsspur (14, 14') vollständig erfasst wird.
2. Positioniereinrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Maßstab (8) des Y-Messgerätes aus einem Material mit vernachlässigbarem thermischen Ausdehnungskoeffizienten besteht, beispiels- weise aus Zerodur.
3. Positioniereinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die virtuelle Abtastung der virtuellen Geradheitsspur (14') durch die Abtastung von zwei in der ersten Richtung (X) längserstreckten Maßstäben (10.1 , 10.2) realisiert ist, die jeweils über eine Geradheitsspur (14.1 , 14.2) zur Messung von Verlagerungen der Querführung (5) in der zweiten Richtung (Y) anhand von jeweils an der Querführung (5) befestigten Abtastköpfen (11.1 , 11.2) aufweisen.
4. Positioniereinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Verlagerung des Fixpunktes (15) als gewichteter Mittel- wert aus den von den an der Querführung (5) befestigten Abtastköpfen
(11.1 , 1 1.2) abgeleiteten Verlagerungen (y1 , y2) berechenbar ist.
5. Positioniereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Linearführungen (1.1 , 1.2) und/oder die Querführung (5) Antriebe in Form von Linearmotoren enthalten.
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