WO2012089341A2

WO2012089341A2 - Magnetgelagerte positionierachse

Info

Publication number: WO2012089341A2
Application number: PCT/EP2011/006591
Authority: WO
Inventors: Bernd Schnurr; Ibrahim Doertoluk; Christian Freier
Original assignee: Robert Bosch Gmbh
Priority date: 2010-12-30
Filing date: 2011-12-28
Publication date: 2012-07-05
Also published as: DE102011122287A1; WO2012089341A3

Abstract

Die Erfindung stellt eine Lösung bereit, mittels welcher ein Körper (11) relativ zu einem anderen Körper (12) in der Schwebe gehalten und dessen aktuelle Position im Schwebezustand in vielen Richtungen verändert werden kann.

Description

Magnetgelagerte Positionierachse

Die Erfindung betrifft das übergeordnete Gebiet der elektromagnetischen Einrichtungen. Die Erfindung schlägt gemäß den unabhängigen Ansprüchen eine magnetgelagerte Positionierachse, ein Verfahren für deren Betrieb und diverse Verwendungen vor.

Bei der Erfindung werden Erkenntnisse aus dem Prinzip der Magnetschwebetechnik genutzt.

Die Deutsche Offenlegungsschrift 27 10 156 beispielsweise zeigt ein Trag-, Führ- und Vortriebsverfahren, welches sich dieser Prinzipien bedient. Die Anwendung ist in vielen technischen Bereichen möglich, beispielsweise in der Halbleiterindustrie, in der Medizintechnik, bei hochpräzisen Messmaschinen, in der Lithographie, bei der Solarzellenherstellung oder bei der Herstellung von Festplatten und LCD-Anzeigen.

Bei der Erfindung werden Erkenntnisse aus der linearen Antriebstechnik genutzt. Das Prinzip der Funktionsweise von Linearmotoren ist hinreichend bekannt. Das Patent EP 0580 107 B1 zeigt ein magnetisches Schwebesystem , welches für Transportzwecke mit geraden und

BESTÄTIGUNGSKOPIE kurvenförmigen Wegabschnitten ausgelegt ist. Der Schwerpunkt liegt hierbei auf der Regelu ng des Luftspaltes, abhängig von der Belastung des Seku ndärteiles, mittels einer am Sekundärteil befestigten Regelungseinrichtung. Diese Regelungseinrichtung wird über eine I ndu ktionsschleife mit einer 1 0kHz Spannungsquelle berühru ngslos mit Energie versorgt.

Das Patent US 6 , 502 ,51 7 B 1 zeigt ebenfalls ein magnetisches Schwebesystem . Die Erfindung stellt eine Lösung bereit, mittels welcher ein Lager realisiert und betrieben werden kann, dessen Kom ponenten neben der von einem Linearmotor vorgegebenen Bewegungsrichtung zusätzlich und gleichzeitig auch von der Linearbewegung abweichende Bewegu ngen ausführen kann . Dies ermögl icht eine extrem genaue Fei njustierbarkeit der Lagerkomponenten . Von dem Lager transportierte oder gehaltene Objekte können somit präzise positioniert werden .

Die Erfindung erreicht d ies mittels einer magnetgelagerten Positionierachse. Diese magnetgelagerte Positionierachse u mfasst ein erstes Lagerteil mit einer ersten Linearmotorkom ponente und ein zum ersten Lagerteil korrespondierend ausgeführtes zweites Lagerteil m it einer zweiten Linearmotorkomponente. I m Betrieb der Achse ist somit eine Relativbewegung beider Lagerteile entlang der mittels des Linearmotors vorgegebenen Bewegungsrichtung möglich .

Von den Lagerteilen sind mehrere Erregerteile umfasst. Zu mindest aber weist wenigstens eines der Lagerteile Erregerteile auf. Unter Erregerteilen werden Komponenten verstanden , welche in der Lage sind ein elektromagnetisches Feld zu erzeugen , m ittels dessen es möglich ist einen Schwebezustand zwischen zwei Bauteilen zu realisieren. Von zumindest einem der Lagerteile, vorzugsweise von dem ersten Lagerteil mit der ersten Linearmotorkomponente, ist ein lokales Betriebsmittel umfasst. Das Betriebsmittel dient zur Ansteuerung der Erregerteile mit elektrischem Strom und damit zur Steuerung eines von den Erregerteilen erzeugbaren Magnetfeldes. Das Betriebsmittel hat vorzugsweise auch eine Regelfunktion. Das Betriebsmittel kann somit die Ansteuerung der Erregerteile mit elektrischem Strom unter Verwendung von Sollwerten und von Istwerten für die ausgeführte Bewegungsrichtung oder die ausgeführte Bewegungsintensität durchführen, indem es Sollwerte und Istwerte miteinander vergleicht und bei einer Abweichung regulierend eingreift.

Bei dem Betriebsmittel kann es sich auch um Funktionsblöcke zur Fortbewegungs- bzw. Bewegungsregelung sowie um Datenverarbeitungsvorrichtungen zur Positionserfassung inklusive der dafür notwendigen Sensoren und/oder Mittel zur Kommunikation handeln. Dies macht die Vorrichtung insgesamt sehr flexibel bezüglich der denkbaren Einsatzfelder. Von der komplexen Transport-, Verpackungs- und

Automatisierungseinrichtung mit einer Vielzahl von unabhängig betriebenen Lagern bis hin zur Realisierung einer einfachen Linearbewegung sind alle Ausführungsformen denkbar und realisierbar.

Selbst Prozessenergie könnte mit diesem Verfahren auf eines der Lagerteile berührungslos übertragen werden. Unter Prozessenergie wird in diesem Zusammenhang Energie verstanden, die nicht zur Versorgung von antriebsrelevanten Verbrauchern, sondern für die Durchführung eines Vorganges innerhalb eines Prozesses benötigt wird . Dies könnte beispielsweise das Verschweißen einer Folie für Lebensmittel nach der Befüllung durch eine Verpackungsmaschine sein. Beliebige weitere Anwendungsformen sind denkbar. Für den Einsatz in industriellen Maschinen wird deshalb vorgeschlagen, dass zumindest ein zum Betriebsmittel zusätzlich am ersten Lagerteil angeordneter Verbraucher eine prozessrelevante Apparatur ist, die einen Ver- bzw. Bearbeitungsschritt innerhalb eines industriellen Prozesses übernimmt.

Die Erregerteile sind derart an den Lagerteilen angeordnet, dass mittels des Betriebsmittels eine Änderung der relativen Bewegungsrichtung beider Lagerteile zueinander abweichend oder auch überlagernd und damit gleichzeitig in Echtzeit zu der von dem Linearmotor ausgeführten Bewegungsrichtung möglich ist. Zwischen dem ersten und dem zweiten Lagerteil besteht während des Betriebes stets ein geringfügiger Luftspalt, so dass sich beide Teile berührungslos und relativ zueinander in bis zu sechs verschiedenen Freiheitsgraden bewegen können, indem Druck- und Zugkräfte unter Verwendung von magnetischen Feldern zwischen den Lagerteilen erzeugt werden, welche der eigentlichen und mittels des Linearmotors vorgegebenen Bewegungsrichtung überlagert werden können.

Es wird damit möglich vorzugsweise für die Halbleiterindustrie unter Reinraumbedingungen, für die Medizintechnik, für die Messtechnik (bspw. hochpräzise Messmaschinen wie Schichtdickenmessung), für die Lithograpie (z.B. extreme Ultraviolettlithographie oder die Nanolithographie) oder für die Solarzellenherstellung, die Herstellung von Festplatten oder die Herstellung von LCD-Displays hochpräzise Maschinen zu realisieren. Die Lagerteile lassen sich in Serie und getrennt voneinander leicht und damit kostengünstig herstellen. Die Erfindung zeichnet sich durch hohe Modularität und flexible Einsetzbarkeit aus.

Das frei schwebende System ist verschleißarm, da kein mechanischer Lagerverschleiß stattfindet. Es kann in Vakuumumgebungen und in explosionsgefährdeten Umgebungen eingesetzt werden. Bei hochpräzisen Fertigungsmaschinen, wie Sie beispielsweise für die Waferherstellung verwendet werden, können Lagerschäden und Unebenheiten zu Prozessfehlern führen. Auch dies wird mittels der Erfindung aufgrund der berührungslosen und hochgenauen Positionierbarkeit vermieden.

Beide Lagerteile umfassen üblicherweise Spulenanordnungen, welche zur Erzeugung und zur Einkopplung eines Energieversorgungsfeldes zur Versorgung des Betriebsmittels mit elektrischer Energie dienen. Auch eine kapazitive Energieübertragung oder die Verwendung eines Energiespeichers auf einem der Lagerteile wäre denkbar. Bevorzugt kommt jedoch die induktive Energieübertragung zum Einsatz.

Da die Lagerteile berührungslos zueinander im Betrieb angeordnet sind, wird eine drahtlose Übertragung von Energie und Steuersignalen von einem auf das andere Lagerteil vorgesehen . Bei den Steuersignalen handelt es sich bspw. um Sollwerte für die auszuführende Bewegung. Diese Sollwerte sind für das Betriebsmittel bestimmt, damit es die Erregerteile entsprechend der Sollvorgaben mit Strom beaufschlagen und somit die gewünschte Bewegung hervorrufen kann. Auf einem der Lagerteile angeordnete elektrische Komponenten werden mit Energie und Signalen unter Verwendung des zwischen beiden Lagerteilen vorhandenen Luftspaltes versorgt. Speziell bei Verwendung eisenloser Linearmotoren ist die bevorzugte Ausführung ein Sekundärteil mit Permanentmagneten und ein Primärteil mit vergossenen Luftspulen, welches seine Energieversorgung auf dem Lagerteil mitführen muss.

Ein dem Fortbewegungsfeld des Linearmotors überlagertes Energieversorgungsfeld könnte auch dadurch erzeugt werden, dass der zur Herstellung des Fortbewegungsfeldes erforderlichen Wechselspannungsquelle mit einer Frequenz von beispielsweise 50 Hz (jede andere Frequenz ist denkbar) eine weitere Wechselspannungsquelle mit beispielsweise 10 kHz oder variabler Frequenz so zugeschaltet wird , dass sich aus der Überlagerung beider Spannungen der gewünschte Überlagerungseffekt einstellt. Ein Empfängerschwingkreis am bewegten Lagerteil wäre dann auf die auszukoppelnde Frequenz abzustimmen, so dass er die maximal mögliche Energie für die am bewegten Lagerteil angeordnete Betriebsmittel und Erregerteile einkoppeln kann. Ein Spannungs- und Pegelwandler müsste die Ausgangsspannung an die Anforderungen von Betriebsmitteln und Erregerteilen adaptieren.

Je nachdem wie man die Spannungs- und/oder Pegelwandler auswählt, können unterschiedlichste Anforderungen erfüllt werden. Durch die Kombination von AC/DC-, AC/AC- und DC/DC-Wandlern können sowohl Verbraucher mit Wechsel- als auch Gleichspannungsanschluss mit Strom versorgt werden. Über integrierte Spannungsteiler ist es möglich den an der Energieversorgungsschnittstelle abgegriffenen Spannungspegel an die Verbraucher anzupassen. Es ist also denkbar, dass jeder Verbraucher einen eigenen Wandler besitzt, der die individuellen, verbraucherspezifischen Spannungen und Pegel sicherstellt. Sinnvollerweise ist ein Wegerfassungsmittel vom erfindungsgemäßen Lagermittel umfasst. Dieses u mfasst wiederum eine erste Komponente und eine zweite Komponente zur Messung des mittels des Linearmotors zurückgelegten Weges. Die Komponenten des Wegerfassungsmittels sind relativ zueinander angeord net und korrespondierend zueinander ausgeführt. Die erste Komponente ist am ersten Lagerteil und die zweite Kom ponente ist am zweiten Lagerteil angeordnet. Beide Kom ponenten sind wie d ie Lagerteile während des Betriebs der Anord nung m ittels eines Luftspaltes voneinander getrennt. Das Wegerfassungsmittel d ient dem Betriebsmittel als Istwertgeber, so dass das Betriebsmittel in der Lage ist die Linearbewegung zu regeln.

Das erste Lagerteil ist zur Realisierung einer Vorschubbewegung ausgebildet, indem die am ersten Lagerteil angeordnete Linearmotorkomponente als passives Seku ndärteil ausgeführt ist, sofern es sich u m Langstator-Linearmotores handelt. Dies hat den Vorteil, dass diese Kom ponente nicht mit Energie versorgt werden muss u nd die für die Real isierung einer Vorschubbewegung erforderliche Energie somit auch nicht auf das bewegte Lagerteil übertragen werden muss.

Da das erste Lagerteil das Betriebsmittel umfasst, fährt d ieses mit der Bewegu ng des ersten Lagerteils mit und kann die lokal am ersten Lagerteil angeordneten Erregerteile betreiben . Die hierfür benötigte Energie ist im Vergleich zur für den Betrieb eines Vorschu bmotors erforderliche Energie verhältnismäßig gering und kann daher leicht vom feststehenden zweiten Lagerteil auf das bewegl iche erste Lagerteil übertragen werden . Bei Verwendung eines eisenlosen Linearmotors wäre die am ersten Lagerteil angeordnete Linearmotorkomponente als aktives Primärteil auszubilden, wobei dann auch die Energie für die Realisierung einer Vorschubbewegung auf das Lagerteil übertragen werden muss.

Die am zweiten Lagerteil angeordnete Linearmotorkomponente ist als aktives Primärteil mit ein Magnetfeld erzeugenden Wicklungen ausgeführt, sofern es sich um Langstator-Linearmotores handelt. Das zweite Lagerteil ist lokal an einem festen Untergrund montiert und kann leicht auch drahtgebunden mit ausreichend Energie versorgt werden.

Bei Verwendung eines eisenlosen Linearmotors wäre die am zweiten Lagerteil angeordnete Linearmotorkomponente als passives Sekundärteil auszubilden.

Jedes Erregerteil umfasst zumindest eine Erregerwicklung zur Erzeugung eines elektrisch steuerbaren Magnetfeldes unter Verwendung des Betriebsmittels. Zumindest ein Teil der Erregerteile umfasst zusätzlich Permanentmagnete zur Erzeugung eines permanenten Magnetfeldes. Die Anordnungen sind derart realisiert, dass das mittels eines Permanentmagneten erzeugte Magnetfeld mittels des durch eine Erregerwicklung erzeugten Magnetfeldes beeinflusst werden kann.

Als Trageeinrichtung für das erste Lagerteil dienende erste Erregerteile sind E-förmig ausgebildet und umfassen zusätzliche Permanentmagnete. Ein magnetisch geringfügig leitfähiges Element ist als Querelement vorgesehen . Es bildet die Symmetrieachse des Erregerteils u nd trennt die magnetischen Kreise voneinander. Zwei unabhängig voneinander arbeitende magnetische Kreise sind damit realisiert. Die Beeinflussung der Lage beider Lagerteile zueinander ist somit in zwei verschiedenen Richtungen möglich . Die Erregerwicklungen beider magnetischen Kreise sind unabhängig voneinander ansteuerbar. Um die Kraft des Permanentmagneten zu kom pensieren , ist ein Strom bis zu 5 A erforderlich. Fü r ein schnelles Regelverhalten und kurze Stromaufbauzeiten muss zudem eine ausreichend hohe Spannung an den Spulen anl iegen. Dazu wird ein Stromregler verwendet, welcher einen Dauerstrom von bis zu 7 A bei einer pulsweitenmodulierten Spannung von bis zu 75 V zur Verfügung stellen kann und üblicherweise zur Ansteueru ng von Gleich- und Drehstrommotoren oder Steppermotoren verwendet wird.

Die Einspeisung der Sollwerte könnte mittels des Signalausgangs eines Digital-/Analogwandlers erfolgen . Die Vorgabe eines pulsweitenmodulierten Steuersignals für die Ansteuerung der Erregerwicklungen kann m ittels eines vom Betriebsmittel umfassten Mikrocontrollers erfolgen , dessen Analogeingang wiederum m it dem Signalausgang des Digital-/Analogwandlers verbunden ist. Die implementierte Regelung ist so realisiert, dass sie eine konstante Stellgröße liefert.

Der für die Schweberegelung benötigte Strom verhält sich proportional zur Kraft. Dies wird im Rahmen der Erfindung bei der Erm ittlu ng der Luftspaltgrenzen eingesetzt, um die relative Position beider Lagerteile zueinander zu regeln . I m Gegensatz zur Positionsregelung m ittels Kraftmessu ng ist nu n kein dauerhafter Kontakt zwischen beiden Lagerteilen erforderl ich . Als Seitenführungseinrichtung für das erste Lagerteil sind U- förmige zweite Erregerteile mit Erregerwicklung, jedoch ohne die Verwendung zusätzlicher Permanentmagnete, umfasst. Die Seitenführung erfordert ein schwächeres Magnetfeld als die Trägerseite. Daher können die Permanentmagnete hier eingespart werden und das magnetische Feld wird rein elektrisch erzeugt. Selbstverständlich könnten zusätzliche Permanentmagnete verwendet werden.

Das zweite Lagerteil dient für das mittels der ersten oder zweiten Erregerteile erzeugte Magnetfeld als magnetisches Rückschlussjoch und umfasst Anordnungen, die mit den Erregerteilen auf dem ersten Lagerteil korrespondieren. Die Aufgabe des Rückschlussjoches ist es, den magnetischen Kreis über den Luftspalt hinaus zu schließen.

Das Erregerteil kann mehrere Polpaare zur Erzeugung des permanenten Magnetfeldes umfassen. Das Erregerteil ist derart realisiert und die Polpaare sind derart am Erregerteil angeordnet, dass sich das steuerbare Magnetfeld mit dem permanenten Magnetfeld gleichsinnig überlagern kann, sobald der magnetische Kreis geschlossen ist.

Das Erregerteil ist vorzugsweise einstückig oder mehrteilig realisiert. Die Permanentmagnete sind auf ein optimales Verhältnis bezüglich des erforderlichen Energieaufwandes für den Schwebevorgang und die aufzubringende Anhebekraft dimensioniert. Da keine Querschnittsverkleinerungen im System auftreten, steigt die magnetische Durchflutung an vereinzelten Stellen im System nicht an und das Eisen kann somit nicht in die Sättigung geraten. Vorzugsweise umfasst jedes Polpaar eines Erregerteils wenigstens zwei Permanentmagnete mit entgegengesetzter Polarität derart, dass diese in Summe ein gleichgerichtetes Magnetfeld innerhalb des gleichen magnetisch leitfähigen Materials erzeugen können. Dies führt zu einem im wesentlichen homogenen Magnetfeld auch innerhalb der Luftspalte.

Die Magnetfeldstärke im Luftspalt zwischen den Erregerteilen und dem Rückschlußjoch kann durch die Beeinflussung des Stromes in der Erregerspule mittels des am ersten Lagerteil angeordneten Betriebsmittels beeinflusst werden.

Zum Betrieb der magnetischen Positionierachse wurde ein Verfahren erfunden, welches die relative Lage der Lagerteile zueinander und abweichend von der mittels des Linearmotors vorgegebenen Bewegung mittels des Betriebsmittels unter der Beeinflussung des in den Erregerteilen auftretenden Stromes einstellt.

Es werden sich gegenüberliegende oder unmittelbar benachbarte Erregerteilpaare derart angesteuert, dass folgende relativen Bewegungen zwischen den Lagerteilen ausgeführt werden können: a) Absenken des ersten Lagerteils gegenüber dem zweiten Lagerteil entlang einer der gemeinsamen Längsachsen beider Lagerteile;

b) Absenken des ersten Lagerteils gegenüber dem zweiten Lagerteil entlang einer gemeinsamen Querachse beider Lagerteile;

c) Durchführung einer Drehbewegung des ersten Lagerteils gegenüber des zweiten Lagerteils bezüglich des

Mittelpunktes beider Lagerteile; d ) Vertikales Absenken des ersten Lagerteils gegenüber des zweiten Lagerteils;

e) Vertikales Anheben des ersten Lagerteils gegenüber des zweiten Lagerteils;

f) Horizontales Bewegen des ersten Lagerteils gegenüber des zweiten Lagerteils in Längsrichtung;

g) Horizontales Bewegen des ersten Lagerteils gegenüber des zweiten Lagerteils in Querrichtung;

h) Horizontaler Vorschub des ersten Lagerteils gegenüber des zweiten Lagerteils;

i) Beliebige Kom binationen aus den weiter oben genannten Bewegungen.

Die sich aus dem Betriebsverfahren ergebenden Vorteile sind identisch mit den bereichst für das Lager als solches beschriebenen Vorteilen .

Die Positionierachse wird für folgende erstmalige Verwendungen vorgeschlagen , und zwar als Lager

- bei einer Messeinrichtu ng;

- bei einer Maschine, bspw. einer Werkzeugmasch ine;

- bei einem Transportsystem ;

- bei einem medizinischen Gerät;

- bei einer Verpackungsmaschine;

- bei einem Robotersystem .

Figur 1 zeigt eine erfindungsgemäße Positionierachse im Querschnitt.

Figur 2 zeigt das erste, bewegliche Lagermittel mit Betriebsmittel . Figur 3 zeigt eine erste mögliche Ausführungsform eines Erregerteils.

Figur 4 zeigt eine zweite mögliche Ausführungsform eines Erregerteils mit Ansteuerung.

Figur 5 zeigt vom Betriebsmittel koordinierte Prozessabläufe

Keine dieser Ausführungsformen schränkt die Erfindung auf die nachfolgend erwähnten Konstruktionsdetails ein. Es handelt sich um mögliche Ausführungsvarianten, die die Anmelderin anderen möglichen Varianten gegenüber bevorzugt hat. Abweichende Lösungskonzepte unter Verwendung von aus dem Stand der Technik bekannten Möglichkeiten könnten ebenfalls zur Realisierung der Erfindung herangezogen werden.

Figur 1

Figur 1 zeigt eine magnetgelagerte Positionierachse, umfassend ein erstes Lagerteil 11 mit einem ersten Linearmotorläufer 111 und ein zum ersten Lagerteil 11 korrespondierend ausgeführtes zweites Lagerteil 12 mit einem Linearmotorstator 121. Der Linearmotor ist vorzugsweise eisenlos ausgeführt, um störende Magnetkräfte und Rastmomente zu vermeiden.

In dieser Abbildung ist die Fahrtrichtung in die Bildebene hinein zu denken, während die Schweberichtung in der Vertikalen verläuft.

Von den Lagerteilen 11, 12 sind Seitenführungselemente 112 und Tragelemente 113 umfasst. Die Tragelemente 113 stellen die äußere Komponente und die Seitenführungselemente 112 die innere Komponente des ersten Lagerteils 11 dar.

Das feststehende Lagerteil 12 umfasst symmetrisch angeordnete, gegenüber liegende Reaktionsschienenpaare 122 und 125, welche entlang der durch den Linearmotor 111, 121 vorgegebenen Bewegungsrichtung montiert sind und zur Führung des magnetischen Flusses der Tragelemente 113 und der Seitenführungselemente 112 dienen.

In das erste Reaktionsschienenpaar 122 sind Energieübertragungsspuleneinheiten 124 integriert, welche zur Erzeugung und zur Einkopplung eines Energieversorgungsfeldes zur Versorgung von auf dem ersten Lagerteil 11 montierten elektrischen Komponenten (nicht gezeigt, siehe Figur 2) dienen. Die Energieübertragungsspuleneinheiten 124 werden mittels einer Energiebereit- Stellungseinheit 126, welche außerhalb der erfindungsgemäßen Lagereinheit angeordnet ist oder in diese integriert sein kann, mit elektrischer Energie versorgt.

Zur Erfassung des Vorschubweges ist ein Linearmesssystem vorgesehen, welches eine Linearmesssystemleseeinheit 1 14 und eine Maßverkörperung 123 umfasst. Die

Linearmesssystemleseeinheit 1 14 ist am ersten Lagerteil 1 1 montiert, welches als Schwebeeinheit 1 1 fungiert. Die Linearmesssystemleseeinheit 1 14 führt die gleiche Bewegung wie das Sekundärteil des Linearmotors 1 1 1 aus.

Figur 2 zeigt das erste Lagerteil 1 1 der erfindungsgemäßen Positionierachse schematisch mit daran angeordneten elektrischen und mechanischen Komponenten, welche für den Betrieb erforderlich sind. Die elektrischen Komponenten dienen zur Realisierung des weiter oben erwähnten Betriebsmittels für die Positionierachse.

Die elektromechanischen Komponenten umfassen die Tragemagnete 220 oben links im Bild, die Tragemagnete 221 unten links im Bild, die Tragemagnete 222 oben rechts im Bild , die Tragemagnete 223 unten rechts im Bild. Unter Tragemagneten werden diejenigen Erregerteile verstanden, welche die Last des ersten Lagerteils aufnehmen , so dass dieses gegenüber dem zweiten Lagerteil schwebend im Betrieb angeordnet bleibt.

Weiter sind umfasst die Seitenführungsmagnete 224 oben rechts mittig im Bild, die Seitenführungsmagnete 225 oben links mittig im Bild, d ie Seitenführungsmagnete 226 unten rechts mittig im Bild , die Seitenführungsmagnete 227 unten links mittig im Bild . Unter Seitenführungsmagneten werden diejenigen Erregerteile verstanden, welche die Lage des ersten Lagerteils beeinflussen , so dass dieses gegenü ber dem zweiten Lagerteil schwebend im Betrieb seine Position auch abweichend von der mittels des Linearmotors vorgegebenen Richtung ändern kann . Zusätzlich umfasst sind diverse Vertikalabstandssensoren 228, 229, 230, 231 und diverse Horizontalabstandssensoren 232 , 233. Auch umfasst sind : eine Linearmesssystemleseeinheit 234, eine Steuer- u nd Leistungseinheit 235, ein Schweberegler 236, ein Positionierregler 237, eine Steuerleitung 238 zum Wechselrichter 246, eine Steuerleitung 239 zu den Halbbrücken H 1 - H8 (dienen der Versorgung der Trag- und Seitenführungsmagnete) der Leistungseinheit 248, eine Energieempfangseinheit 240 , eine Energieempfangsspuleneinheit 241 , eine Gleichrichtereinheit 242, ein Energiespeicher 243, eine Projektierungseinheit 244 m it Sende- und Empfangseinheit zur Realisierung der Sollwertevorgabe für das Betriebsmittel und für den Istwertempfang m ittels beispielsweise einer Funkverbindu ng . Eine Sende- und eine Empfangseinheit 245 (WLAN und dergleichen) für das Senden von Istwerten und von Diagnosemeldungen und den Empfang von Sollwerten sowie der Linearmotorläufer 1 1 1 sind ebenfalls an dem gegenüber dem zweiten Lagerteil beweglich angeord neten ersten Lagerteil angebracht. Das Lageistwertsignal des Vorschu bs wird mittels einer Leitung 247 von der Linearmesssystemleseeinheit 234 gel iefert u nd zum Positionsregler 237 geleitet.

Das mittels einer am festen Lagerteil angeord neten Energiebereitstellu ngseinheit erzeugbare Magnetfeld wird von der Energieempfangseinheit 240 u nter Verwendu ng der

Energieempfangsspulenein heit 241 , der Gleich richtereinheit 242 u nd dem Energiespeicher 243 in eine Gleichspan nung u mgewandelt und der Steuer- und Leistu ngseineinheit 235 als Zwischenkreisspannung zugeführt. Die Steuer- und Leistungseineinheit 235 umfasst einen Positionierregler 237, der das Lageistwertsignal 247 der Linearmesssystemleseeinheit 234 auswertet und mittels der Steuerleitung 238 die Wechselrichtereinheit 246 derart ansteuert, dass der Linearmotorläufer 1 1 1 dem vorgegebenen Lagesollwert folgt. Der Schweberegler 236 verarbeitet d ie Signale der Abstandssensoren 228 bis 233 und bildet die Steuersignale 239 für d ie H-Brücken H 1 bis H8 zur Ansteuerung der Tragmagnete 220 bis 223 und der Seitenführungsmagnete 224 bis 227.

Das in Figur 3 gezeigte und als Trageinheit für das Lagerteil 1 1 dienende Erregerteil 1 1 3 ist E-förmig ausgeführt und wie hier gezeigt montiert auf einem provisorischen Versuchsstand . Die Figur 3 zeigt den schematischen Aufbau des Erregerteils 1 1 3 mit einem Permanentmagneten 31 3 im Kern , dessen magnetisches Feld durch 2 konträr gewickelte Spulen 31 1 so verstärkt oder abgeschwächt werden kann, dass eine definierte Bewegung in die eingezeichnete y-Richtung hervorgerufen werden kann. Die Verwendung des Permanentmagneten 31 3 ermöglicht es ein für das Tragen des ersten Lagerteils gegenüber des zweiten Lagerteils erforderliches Magnetfeld bereitzustellen, ohne dass dafür elektrische Energie erforderlich wäre.

I m Einzelnen umfasst das Erregerteil 1 1 3 einen in y-Richtung (vertikale Richtung in Bezug auf die erfindungsgemäßen beiden Lagerteile) frei beweglichen Teil, m ittels zweier mit Kupferlackdraht 31 1 bewickelte Blechpakete 31 2 , den Permanentmagneten 31 3 oder mehrere Permanentmagnete und ein Distanzstück aus Aluminium 31 4 oder einem anderen magnetisch geringfügig leitfähigen Material . Das in der Versuchsanord nung feststehende Rückschlussjoch 31 5 wurde als Schiene ausgeführt und ist bei Umsetzung der Erfindu ng Bestandteil des zweiten Lagerteils, wie weiter oben schon beschrieben .

Der Anteil des ü ber die Spulen 31 1 zu regelnden Magnetfeldes, welches maßgebl ich für d ie Kompensation der Gewichtskraft des ersten Lagerteils verantwortlich ist, bildet sich in den vier Luftspalten 31 6 bis 31 9 aus. Aufgru nd der parasitären Luftspalte zwischen Rückschlussjoch 31 5 und den Stirnseiten der Blechpakete 31 2 tritt eine Kraft in x-Richtung auf, die allerd ings relativ zur Kraft in den Hau ptluftspalten gering ist, so dass ihr Einfluss als Störeinfluss betrachtet u nd in einem Vorschu bsystem durch zusätzliche Seitenführungsmagnete (nicht gezeigt) ausgeregelt werden kann (siehe Beschreibung zu Figur 2).

Figur 4 zeigt den alternativen Aufbau eines Erregerteils 4a. Es umfasst vier Polpaare 411, 412, 413 und 414, deren magnetische Felder durch zwei Elektrobleckpakete 415 und 416 und über die Luftspalte 417, 418, 419 und 420 durch zwei Rückschlussjoche 421 und 422 geführt werden. Die Permanentmagnete 411 und 412, sowie 413 und 414 sind entgegengesetzt vertikal magnetisch orientiert und die Permanentmagneten 411 und 413, sowie 412 und 414 sind gleich vertikal magnetisch orientiert.

Die magnetische Verbindung der Blechpakete 415 und 416 ist mittels des Isolators 423 unterbrochen. Die stromdurchflossene Spule 424 wird mittels der Spannungsquelle 425 versorgt.

Das Betriebsmittel 426 berechnet die Stellgröße für den Spannungsregler 427, durch dessen Ausgangssignal die Spannungsquelle 425 angesteuert wird. Der Spannungsregler 427 sorgt dafür, dass die von der Schweberegelung 426 berechnete Spannungssollgröße eingehalten wird. Die Erregerspule 424 erzeugt demnach einen magnetischen Fluss, der eine Verstärkung oder Abschwächung des magnetischen Feldes in den Luftspalten bewirkt und damit die Einstellung eines definierten Schwebezustandes des Erregerteils 4a ermöglicht. Bezugszeichen 429 kennzeichnet die Verbindung zwischen Betriebsmittel 426 und Spannungsregler 427 zur Übermittlung der oben erwähnten Stellgröße. Bezugszeichen 428 kennzeichnet die Rückkopplung vom Erregerteils 4a zum Betriebsmittel 426 zur Bildung eines Regelkreises. Figur 5 zeigt mittels eines schematischen Ablaufdiagramms, wie mittels der wesentlichen Schritte einer intelligenten Ansteuerung der erfindungsgemäßen Anordnung bis zu sechs Freiheitsgrade in Bezug auf die relativen Bewegungen zwischen beiden Lagerteilen realisiert werden können . Dem auf dem beweglichen ersten Lagerteil angeordneten Betriebsmittel werden von der Projektierungseinheit 244 Lagesollwerte 54 in Form von Raumkoordinaten vorgegeben. Das Betriebsmittel ermittelt mittels der Abstandssensoren den Lageistvektor 55 des ersten Lagerteils relativ zum zweiten Lagerteil. I n einer Vorverarbeitung 51 für die Eingangsdaten wird eine Differenzbildung zwischen Sollwerten und um Rauschanteile gefilterten Istwerten durchgeführt und einer Koordinatentransformation auf den Systemschwerpunkt unterworfenen Daten an den Regelalgorithmus 52 übergeben . Dieser berechnet d ie erforderlichen elektrischen Stellgrößen und gibt diese nach einer Rücktransfomation 53 der Koord inaten an die Leistungsstufen zur Versorgung der Wicklu ngen der Erregerteile mit elektrischem Strom weiter.

Claims

335877 IP 22.12.2011 - Kauth Robert Bosch GmbH, Stuttgart Patentansprüche

1. Magnetgelagerte Positionierachse, umfassend ein erstes Lagerteil (11) mit einer ersten Linearmotorkomponente (111) und ein zum ersten Lagerteil (11) korrespondierend ausgeführtes zweites Lagerteil (12) mit einer zweiten Linearmotorkomponente (121), welche derart angeordnet sind, dass im Betrieb der Achse eine Relativbewegung beider Lagerteile (11, 12) entlang der mittels des Linearmotors (111, 121) vorgegebenen Bewegungsrichtung möglich ist, dadurch gekennzeichnet, dass

Erregerteile (112, 113) umfasst sind und von zumindest einem der Lagerteile (11, 12) ein lokales Betriebsmittel (235) umfasst ist, wobei die Erregerteile (112, 113) derart angeordnet sind, dass mittels des Betriebsmittels (235) eine Änderung der relativen Bewegungsrichtung beider Lagerteile (11, 12) zueinander abweichend oder überlagernd zu der von dem Linearmotor (111, 121) vorgegebenen Bewegungsrichtung möglich ist.

2. Positionierachse gemäß Patentanspruch 1, wobei beide Lagerteile (11, 12) Spulenanordnungen (124, 240) umfassen, welche zur Erzeugung und zur Einkopplung eines Energieversorgungsfeldes zur Versorgung des Betriebsmittels (235) mit elektrischer Energie dienen.

3. Positionierachse gemäß einem der zuvor genannten Patentansprüche, wobei ein Wegerfassungsmittel umfassend eine erste Komponente (114) und eine zweite Komponente (123) zur berührungslosen Messung des mittels des Linearmotors (111, 121) zurückgelegten Weges umfasst ist, welche Komponenten (114, 123) relativ und korrespondierend zueinander ausgeführt sind, wobei die erste Komponente (114) am ersten Lagerteil (11) und die zweite Komponente (123) am zweiten Lagerteil (12) angeordnet ist, wobei beide Komponenten (114, 123) während des Betriebs der Anordnung mittels eines Luftspaltes voneinander getrennt sind.

4. Positionierachse gemäß einem der zuvor genannten Patentansprüche, wobei das erste Lagerteil (11) zur Realisierung einer Vorschubbewegung ausgebildet ist, indem die am ersten Lagerteil (11) angeordnete Linearmotorkomponente (111) als aktives Primärteil oder passives Sekundärteil ausgeführt ist und die am zweiten Lagerteil (12) angeordnete Linearmotorkomponente (121) als passives Sekundärteil oder aktives Primärteil ausgeführt ist, wobei das erste Lagerteil (11) das Betriebsmittel (21) umfasst.

5. Positionierachse gemäß einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei jedes Erregerteil (112, 113) zumindest eine Erregerwicklung zur Erzeugung eines mittels elektrischer Energie beeinflussbaren Magnetfeldes umfasst.

6. Positionierachse gemäß Patentanspruch 5, wobei Erregerteile (112, 113) zusätzlich Permanentmagnete zur Bereitstellung eines von elektrischer Energie unabhängigen permanenten Magnetfeldes umfassen, welches mittels des von der Erregerwicklung erzeugbaren Magnetfeldes abgeschwächt oder verstärkt werden kann.

7. Positionierachse gemäß Patentanspruch 5 oder 6, wobei als Trageeinrichtung für das erste Lagerteil (11) dienende erste Erregerteile (113) E-förmig ausgebildet sind, die ein magnetisch geringfügig leitfähiges Element als Querelement umfassen, welches die Symmetrieachse der Erregerteile (113) bildet, so dass zwei im Wesentlichen unabhängig voneinander arbeitende magnetische Kreise mit voneinander unabhängig arbeitenden Erregerwicklungen realisiert sind.

8. Positionierachse gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei als Seitenführungseinrichtung für das erste Lagerteil (11) dienende U-förmige zweite Erregerteile (112) mit Erregerwicklung umfasst sind.

9. Positionierachse gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche 7 oder 8, wobei das zweite Lagerteil (12) für das mittels der ersten oder zweiten Erregerteile (112, 113) erzeugte Magnetfeld als magnetisches Rückschlussjoch dienende Anordnungen (122, 125) umfasst, welche zu den Erregerteilen (112,113) korrespondierend angeordnet sind.

10. Verfahren zum Betrieb einer Positionierachse gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die relative Lage der Lagerteile (11, 12) zueinander und abweichend von der mittels des Linearmotors (111, 121) vorgegebenen Bewegung mittels des

Betriebsmittels (235) unter der Beeinflussung des in den Erregerteilen (112, 113) auftretenden Stromes eingestellt wird.

11. Verfahren gemäß Anspruch 10, wobei zumindest eines der Erregerteile (112, 113) derart angesteuert wird, dass folgende relativen Bewegungen zwischen den Lagerteilen (11, 12) ausgeführt werden: a) Absenken des ersten Lagerteils (11) gegenüber dem zweiten Lagerteil (12) entlang einer der gemeinsamen Längsachsen beider Lagerteile (11, 12);

b) Absenken des ersten Lagerteils (11) gegenüber dem zweiten Lagerteil (12) entlang einer gemeinsamen Querachse beider Lagerteile (11, 12);

c) Durchführung einer Drehbewegung des ersten Lagerteils (11) gegenüber des zweiten Lagerteils (12);

d) Vertikales Absenken des ersten Lagerteils (11) gegenüber des zweiten Lagerteils (12);

e) Vertikales Anheben des ersten Lagerteils (11) gegenüber des zweiten Lagerteils (12);

f) Horizontales Bewegen des ersten Lagerteils (11) gegenüber des zweiten Lagerteils (12) in Längsrichtung;

g) Horizontales Bewegen des ersten Lagerteils (11) gegenüber des zweiten Lagerteils (12) in Querrichtung;

h) Horizontaler Vorschub des ersten Lagerteils (11) gegenüber des zweiten Lagerteils (12);

i) Beliebige Kombinationen aus den oben genannten Bewegungen, insbesondere jedoch auch zusätzlich und überlagernd zu der mittels des Linearmotors (111,121) vordefinierten und vorgegebenen Bewegungsrichtung beider, Lagerteile (11,12) zueinander im Betrieb.

12. Verwendung der Positionierachse gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 9 als Vorschub bei einer Messeinrichtung oder bei einer Maschine oder bei einem Transportsystem oder bei einem medizinischen Gerät oder bei einer Verpackungsmaschine ^Hor hoi einem Roboter.