B e s c h r e i b u n g :

Die Erfindung betrifft eine Positioniereinheit, umfassend zwei

Steuerschlitten und einen Arbeitsschlitten, wobei die zwei Steuerschlitten und der Arbeitsschlitten auf Strecken verfahrbar sind, die zueinander parallel verlaufen, wobei am Arbeitsschlitten ein Arbeitsarm an einem Arbeitsfußpunkt angelenkt ist und an den Steuerschlitten jeweils ein Steuerarm an jeweils einem Steuerfußpunkt angelenkt ist, wobei die Steuerarme an einer Steuerstelle des Arbeitsarms an diesem angelenkt sind, wobei die Steuerstelle eine vordefinierte Lambdadistanz d von einem ein Arbeitsstellen-Ende bildenden, dem Arbeitsfußpunkt weggewandten Ende des Arbeitsarms beabstandet ist, und die zwei Steuerfußpunkte und der Arbeitsfußpunkt ein Dreieck aufspannen. Eine solche Positioniereinheit ist aus der US 5,378,282 A bekannt.

Nachteilig bei der dort beschriebenen Positioniereinheit ist, dass die

Realisierung einen verhältnismäßig hohen Konstruktionsaufwand erfordert, der mit hohen Herstellungskosten verbunden ist. Dies gilt umso mehr, je mehr Freiheitsgrade bzw. Achsen mittels des dort beschriebenen Prinzips realisiert werden.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine gattungsgemäße

Positioniereinheit zu verbessern.

Gelöst wird die Aufgabe durch eine Positioniereinheit, umfassend zwei Steuerschlitten und einen Arbeitsschlitten, wobei die zwei Steuerschlitten und der Arbeitsschlitten auf Strecken verfahrbar sind, die zueinander parallel verlaufen, wobei am Arbeitsschlitten ein Arbeitsarm an einem Arbeitsfußpunkt angelenkt ist und an den Steuerschlitten jeweils ein Steuerarm an jeweils einem Steuerfußpunkt angelenkt ist, wobei die Steuerarme an einer Steuerstelle des Arbeitsarms an diesem angelenkt sind, wobei die Steuerstelle eine vordefinierte Lambdadistanz d von einem ein Arbeitsstellen-Ende bildenden, dem Arbeitsfußpunkt weggewandten Ende des Arbeitsarms beabstandet ist, und die zwei Steuerfußpunkte und der Arbeitsfußpunkt ein Dreieck aufspannen, wobei wenigstens zwei Schlitten der zwei Steuerschlitten und des Arbeitsschlittens an einer gemeinsamen Führung verfahrbar angeordnet sind.

Somit kann ein und die gleiche Führung für mehrere Schlitten genutzt werden. Somit kann konstruktiv Material eingespart werden. Für eine Vielzahl von Bewegungen, die mit der Positioniereinheit ausgeführt werden, können sich mehrere Schlitten in entgegengesetzten Richtungen bewegen. In diesen Fällen können sich die durch die Schlitten ausgelösten Impulse gegenseitig kompensieren. Dadurch kann die Geschwindigkeit, mit der die Positioniereinheit betrieben wird, insgesamt gesteigert werden.

Insbesondere können die zwei Steuerschlitten und der Arbeitsschlitten an einer gemeinsamen Führung verfahrbar angeordnet sein.

Die Führung kann beispielsweise eine Führungsschiene aufweisen. An dieser können die zwei Steuerschlitten und/oder der Arbeitsschlitten verfahrbar angeordnet sein. An der Führungsschiene kann auch alternativ einer der beiden Steuerschlitten sowie der Arbeitsschlitten verfahrbar angeordnet sein.

Die Führung kann auch mehr als eine Führungsschiene aufweisen.

Beispielsweise kann die Führung aus wenigstens zwei miteinander verbundenen Führungsschienen gebildet sein. Dann kann die Führung aus den einzelnen Führungsschienen vorgefertigt und anschließend einfacher in die Positioniereinheit eingebaut werden. Auch können Steuer- und/oder Arbeitsschlitten an mehreren Führungsschienen angreifen, wodurch die Stabilität der Positioniereinheit verbessert werden kann. So können beispielsweise zwei der drei Schlitten, insbesondere die zwei

Steuerschlitten, an einer oberen Führungsschiene und der dritte Schlitten, insbesondere der Arbeitsschlitten, an einer unteren Führungsschiene verfahrbar angeordnet sein.

Auch kann die Führung aus einem vorzugsweise länglichen Teil,

beispielsweise einer Motorkomponente oder einem Teil eines

Messsystems, gebildet sein, das von wenigstens zwei Schlitten gemeinsam genutzt wird. Die Führung kann insbesondere durch einen Stator eines Linearmotors gebildet sein.

Die Lambdadistanz d kann mindestens 10 % der Gesamtlänge des

Arbeitsarms betragen. Die Lambdadistanz d kann mindestens genauso lang wie ein Steuerarm, bei unterschiedlich langen Steuerarmen

vorzugsweise mindestens so lang wie der längste Steuerarm, sein.

Dadurch kann ein Arbeitsraum der Positioniereinheit bis an das Ende der Führung nutzbar bzw. durch die Positioniereinheit erreichbar sein.

Der Arbeitsfußpunkt kann an einer Fußplatte des Arbeitsschlittens angeordnet sein. Die Fußplatte kann beispielsweise am Arbeitsschlitten angeordnet sein. Alternativ kann die Fußplatte auch durch den

Arbeitsschlitten gebildet sein. Dann kann auf besonders einfache Weise sichergestellt werden, dass die zwei Steuerfußpunkte und der

Arbeitsfußpunkt zu jedem Zeitpunkt bzw. in jeder Stellung der

Steuerschlitten und des Arbeitsschlittens ein Dreieck aufspannen. Dazu kann insbesondere vorgesehen sein, dass der Arbeitsfußpunkt auf der Fußplatte des Arbeitsschlittens außerhalb einer Verbindungslinie der Steuerfußpunkte angeordnet ist. Die Positionen des Arbeitsfußpunktes auf der Fußplatte und/oder der Steuerfußpunkte können auch in Abhängigkeit von auftretenden und/oder zu erwartenden Kräften bzw. Momenten gewählt werden.

Denkbar ist auch, dass anstelle oder ergänzend zur Fußplatte des

Arbeitsschlittens an einem oder mehreren Steuerschlitten ebenfalls Platten angeordnet bzw. von diesen ausgebildet sind. Die Platten bzw. die

Fußplatten können direkt oder mittelbar auch an mehreren

Führungsschienen verfahrbar angeordnet sein, um die Stabilität der Positioniereinheit noch weiter zu verbessern.

Auch kann vorgesehen sein, dass am Arbeitsstellen-Ende des Arbeitsarms eine Arbeitseinheit angeordnet ist.

Die Arbeitseinheit kann beispielsweise eine Halterung sein oder eine solche aufweisen. Beispielsweise kann die Halterung eine

Werkzeughalterung sein. Die Arbeitseinheit kann auch ein Werkzeug oder eine Werkzeugkomponente aufweisen oder als solche ausgebildet sein. Beispielsweise können eine Laserbearbeitungskomponente, insbesondere ein Laserbearbeitungskopf, und/oder eine Greifvorrichtung als

Arbeitseinheit vorgesehen sein.

Auch kann vorgesehen sein, dass ein sich wenigstens mittelbar an der Führung abstützender Stützarm, vorzugsweise ein erster und ein zweiter Stützarm, mit dem Arbeitsstellen-Ende des Arbeitsarms und/oder mit der Arbeitseinheit verbunden, vorzugsweise daran angelenkt, ist.

Beispielsweise kann der Stützarm die Arbeitseinheit zusätzlich abstützen. Dazu kann der Stützarm mit seinem anderen Ende ebenfalls am

Arbeitsschlitten bzw. an der Fußplatte des Arbeitsschlittens angelenkt sein. Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Stützarm relativ zu

wenigstens einem anderen Schlitten verfahrbar angeordnet ist.

Insbesondere kann der Stützarm mittels eines Stützschlittens verfahrbar an der Führung angeordnet sein.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn der erste und der zweite Stützarm eine Parallelogramm-Mechanik bilden. Dadurch kann sichergestellt werden, dass die Arbeitseinheit eine konstante Ausrichtung relativ zur Führung bzw. zu einer Führungsschiene der Führung beibehält.

Auch können mehrere Stützarme an mehreren Stützschlitten verfahrbar an der Führung angeordnet sein. Somit wird es möglich, mehr als drei Achsen über die Positioniereinheit anzusteuern. Insbesondere lassen sich dadurch auf besonders einfache Weise durch Hinzufügen beispielsweise von weiteren Stützarmen vier-, fünf- oder sechsachsige

Positioniereinheiten realisieren.

Denkbar ist auch, dass der Stützarm als flexibles Zugelement,

vorzugsweise als Metallband, ausgebildet ist. Das flexible Zugelement kann als Band, insbesondere als Band aus elastisch verformbarem

Material, oder als Zugseil ausgebildet sein. Das flexible Zugelement kann beispielsweise ein Federstahlband sein. Allgemein kann vorteilhafterweise das flexible Zugelement aus einem steifen, insbesondere in

Winkelbewegungen elastisch verformbaren Material gebildet sein.

Weiterhin ist es denkbar, dass der Stützarm als druckstabiles Band ausgebildet ist.

Durch ein solches flexibles Zugelement kann die Anzahl benötigter Gelenke reduziert werden, wodurch sich Kostenvorteile zusätzlich realisieren lassen. Besonders günstig ist es, ein solches flexibles Zugelement vorzusehen, wenn relativ zu anderen Gelenken vergleichsweise wenige Bewegungen zu erwarten sind. Dabei kann ausgenutzt werden, dass ein solches flexibles Zugelement ebenso wie die Stützarme auf Zug belastet sein können. Werden wenigstens zwei

Stützarme als flexible Zugbänder ausgebildet, so lässt sich mit diesen besonders kostengünstig eine Parallelogramm-Mechanik realisieren. Es ist auch möglich, andere Arme als den Stützarm als flexibles Zugelement auszubilden. Beispielsweise ist es denkbar, ein oder mehrere der

Steuerarme als flexibles Zugelement auszubilden. Insbesondere ist denkbar, mittels zweier flexibler Zugelemente einen Arm zu ersetzen, wobei Druckkräfte auf einen anderen Arm, beispielsweise den Arbeitsarm, abgeleitet werden.

Wenigstens zwei Schlitten können an einem Basisschlitten angeordnet sein, wobei die wenigstens zwei Schlitten relativ zueinander verfahrbar sind. Beispielsweise können die zwei Steuerschlitten und der

Arbeitsschlitten an einem gemeinsamen Basisschlitten angeordnet sein. Auch kann der Basisschlitten durch einen der Schlitten gebildet werden, wobei ein anderer Schlitten an diesem Basisschlitten relativ zum

Basisschlitten verfahrbar angeordnet sein kann. Somit wird es möglich, den Basisschlitten entlang der Führung zu verfahren und damit einen besonders großen Arbeitsraum der Positioniereinheit abzudecken. Zur Feinpositionierung des Arbeitsendes bzw. der Arbeitseinheit genügt es dann, den bzw. die jeweiligen Schlitten relativ zum Basisschlitten zu verfahren. Beispielsweise wird dadurch ein Transportsystem ermöglicht, das einen leistungsstarken Antrieb für den Basisschlitten vorsieht, um Transportgut über eine weite Strecke zu transportieren, wobei

beispielsweise entlang weiterer Achsen das Transportgut mit schwächeren, dafür kostengünstigeren Antrieben der entsprechenden Schlitten fein positionierbar ist. Denkbar ist auch, dass die Positioniereinheit eine

Impulsentkopplungseinheit, insbesondere zur Entkopplung bzw.

Kompensation eines Rückstoßimpulses, aufweist. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass die Impulsentkopplungseinheit zur Entkopplung bzw. Kompensation von Rückstoßimpulsen wenigstens eines Steuer- und/oder Arbeitsschlittens und von an diesen angeordneten Massen bzw. zur Entkopplung der jeweiligen Gegenstücke, an denen sich der bzw. die Schlitten jeweils zur Beschleunigung abstößt bzw. abstoßen, ausgebildet ist. Durch eine solche Impulsentkopplungseinheit können

Rückstoßimpulse, die durch Beschleunigungen der Schlitten bzw. der an diesen angeordneten Massen entstehen und sonst auf die Umgebung übertragen würden, wesentlich reduziert werden. Dadurch kann die

Belastung insbesondere eines die Positioniereinheit tragenden Gestells reduziert werden. Auch kann dadurch die Positioniereinheit mit noch weiter gesteigerten Beschleunigungen und/oder verbesserten Ruckwerten betrieben werden.

Denkbar ist auch, dass die Positioniereinheit eine, vorzugsweise

einstellbare, Gewichtskompensationseinheit aufweist. Die

Gewichtskompensationseinheit kann beispielsweise ausgebildet sein, Gewichtskräfte der Schlitten und/oder der Arbeitseinheit zu kompensieren. Die Gewichtskompensationseinheit kann ein Federelement aufweisen.

Auch kann die Gewichtskompensationseinheit eine Hydraulik oder

Pneumatik aufweisen.

Besonders bevorzugt ist es, wenn die Gewichtskompensationseinheit einstellbar ist, sodass die Gewichtskompensationseinheit beispielsweise auf unterschiedliche Arbeitseinheiten bzw. deren Massen abgestimmt werden kann. Denkbar ist auch, dass wenigstens eine Anlenkung mittels eines

vorgespannten, d. h. spielfreien Lagers ausgebildet ist. Auch kann vorgesehen sein, wenigstens eine weitere Lagerstelle und/oder eine

Führungskomponente, beispielsweise eine Führungsschiene, der

Positioniereinheit spielfrei auszubilden, wodurch die Positioniergenauigkeit der Positioniereinheit weiter verbessert werden kann.

Unter Anlenkung ist dabei jeweils eine Vorrichtung zu verstehen, mit der ein jeweils angelenktes Element der Positioniereinheit an einem jeweils anderen Element der Positioniereinheit angelenkt wird. Insbesondere können die Anlenkungen Gelenke der Positioniereinheit sein. Durch die spielfreie Lagerung kann die Präzision der Positioniereinheit, mit der das Arbeitsende bzw. die Arbeitseinheit positioniert werden können, weiter verbessert werden. Besonders bevorzugt kann dabei eine Anlenkung mittels eines Kreuzrollenlagers, insbesondere eines spielfrei

vorgespannten Kreuzrollenlagers, ausgebildet sein. Ein Kreuzrollenlager ist dabei in der Lage, auch Querkräfte und Momente sicher und spielfrei aufzunehmen.

Es kann vorgesehen sein, dass wenigstens ein Schlitten mittels eines Linearmotors verfahrbar ist, wobei vorzugsweise das stromdurchflossene Motorteil (der verfahrbare Läufer) des Linearmotors am Schlitten

angeordnet ist. Ein Linearmotor ermöglicht besonders schnelle und präzise Bewegungen. Der Linearmotor kann als Synchronmotor oder als

Asynchronmotor ausgebildet sein.

Dabei kann es vorgesehen sein, dass ein, beispielsweise als

Magnetschiene mit magnetischen Bereichen wechselnder

Polarisierungsrichtung ausgebildeter, stromloser Stator des Linearmotors parallel zur Führung angeordnet ist. Insbesondere kann sich der stromlose Stator des Linearmotors entlang der Führung erstrecken. Mit anderen Worten kann die Ausdehnung des stromlosen Stators des Linearmotors entsprechend der Länge der Führung gewählt werden. Vorteilhafterweise kann vorgesehen sein, dass die bzw. eine Führungsschiene der Führung als stromloser Stator ausgebildet ist bzw. der Stator in die Führung integriert ist. Auch hierdurch lässt sich der Materialaufwand konstruktiv reduzieren.

Es ist jedoch alternativ auch denkbar, anstelle des verfahrbaren Läufers den Stator bzw. das ortsfeste Motorteil des Linearmotors zu bestromen. Dadurch kann auf flexibel verformbare Energieführungen zur

Stromversorgung des verfahrbaren Läufers verzichtet werden.

Wenigstens zwei Schlitten können gemeinsam eine Komponente der Positioniereinheit nutzen, z. B. mittels einer gemeinsamen

Motorkomponente verfahrbar sein. Beispielsweise können wenigstens zwei Schlitten mittels eines Linearmotors verfahrbar sein, wobei ein Teil des Linearmotors mehrfach verwendet werden kann. Bei mehreren Schlitten können insbesondere die jeweiligen stromdurchflossenen Motorteile mit demselben stromlosen Stator zusammenwirken. Somit kann der stromlose Stator mehrfach verwendet werden und gleichzeitig ein besonders großer, durch die Positioniereinheit nutzbarer Arbeitsraum zur Verfügung gestellt werden. Somit kann eine weitere Materialeinsparung realisiert werden.

Da im Wesentlichen nur die stromdurchflossenen Motorteile der

Linearmotoren zu bewegen sind, kann die bewegte Masse deutlich reduziert werden. Dadurch lässt sich die Geschwindigkeit bzw. Dynamik der Positioniereinheit noch weiter erhöhen. Auch können noch weitere Komponenten gemeinsam genutzt werden. Beispielsweise können am stromlosen Stator, insbesondere gemeinsam nutzbare, Magnetstreifen vorgesehen sein. Auch können beispielsweise Maßverkörperungen oder Positionssensoren, insbesondere zur

Positionsbestimmung eines Schlittens, entlang der Führung bzw. entlang des stromlosen Stators angeordnet sein, die beispielsweise zur

Positionsbestimmung der verschiedenen Schlitten und somit mehrfach genutzt werden können. Auch elektrische oder Signal-Leitungen können gemeinsam genutzt werden.

Die Stromversorgungen der stromdurchflossenen Motorteile können dazu mittels flexibler Energieführungen mit Strom versorgt werden. Dabei kann beispielsweise ein Hauptkabelschlepp zum Arbeitsschlitten führen und jeweils ein kleiner Kabelschlepp vom Arbeitsschlitten zu einem anderen Schlitten führen.

Denkbar ist auch, Leistungsverstärker für stromdurchflossene Motorteile, wie Spulen, auf dem jeweiligen Schlitten anzuordnen.

Denkbar ist ferner, dass wenigstens ein Schlitten beispielsweise

pneumatisch oder hydraulisch angetrieben wird. Allgemein können unterschiedliche Schlitten durch unterschiedliche Antriebe angetrieben sein.

Auch kann ein Schlitten, beispielsweise der Basisschlitten, durch einen Zahnriemen angetrieben werden, wodurch die zu bewegende Masse für den Antrieb des Basisschlittens minimiert werden kann. Anstelle von oder ergänzend zu Zahnriemen können auch Zahnstangen oder Spindeln, insbesondere solche mit hoher Steigung, vorgesehen sein. Auch ein solcher Zahnriemen kann durch wenigstens zwei Schlitten gemeinsam genutzt werden.

Denkbar ist auch, dass die Positioniereinheit eine vorzugsweise als

Rechnereinheit ausgebildete Steuerungseinheit aufweist, die ausgebildet ist, die Steuer- und/oder Arbeitsschlitten derart entlang der Führung zu verfahren, dass das Arbeitsstellen-Ende zu einer vordefinierbaren

Raum-Position innerhalb eines Arbeitsraumes der Positioniereinheit gelangt. Dazu kann die Steuerungseinheit eine

Computerprogramm-Komponente aufweisen, die eine beispielsweise in kartesischen Koordinaten angegebene vordefinierte Position, an die die Arbeitseinheit bzw. das Arbeitsende verlagert werden soll, zu

Endpositionen umrechnet, an die die jeweiligen Schlitten zu verfahren sind. Die Steuerungseinheit kann weiter ausgebildet sein, aus der jeweiligen Ist-Position der jeweiligen Schlitten und der jeweiligen

Endposition der jeweiligen Schlitten Steuerimpulse vorzuberechnen und zu generieren, durch die dann die Schlitten in die jeweiligen Endpositionen verfahren werden.

Denkbar ist auch, dass wenigstens einer der Arme längenverstellbar ist. Beispielsweise kann ein Steuerarm längenverstellbar sein. Die

Längenverstellung des längenverstellbaren Arms kann motorisch

angetrieben sein. Dadurch kann die Geschwindigkeit, mit der eine vorgegebene Position des Arbeitsendes bzw. der Arbeitseinheit angefahren wird, weiter erhöht werden. Auch kann dadurch der abdeckbare

Arbeitsbereich der Positioniereinheit weiter vergrößert werden oder die Konfiguration des Systems für einen alternativen Arbeitspunkt angepasst werden. Durch die Anlenkung der Steuerarme an einer mit der

vordefinierten Lambdadistanz d von dem Arbeitsstellen-Ende

beabstandeten Steuerstelle bildet zusammen mit dem Arbeitsarm eine so genannte Lambda-Kinematik. Insbesondere kann eine drei- oder höher dimensionale Lambda-Kinematik gebildet werden, indem die

entsprechende Anzahl von Achsen bzw. Schlitten vorgesehen wird. Durch Wahl der Lambdadistanz d lässt sich dabei die Auslenkungsensitivität, mit der die Steuerarme den Arbeitsarm steuern, einstellen. Daher kann in einer besonders vorteilhaften Ausführung der Erfindung vorgesehen sein, dass die Steuerstelle voreinstellbar entlang des Arbeitsarms verlagert werden kann. Beispielsweise können Gelenke, durch die die Steuerarme an der Steuerstelle am Arbeitsarm angelenkt sind, über ein gemeinsames Justierelement miteinander verbunden sein. Das Justierelement kann dazu entlang des Arbeitsarms verlagerbar angeordnet sein. Beispielsweise kann das Justierelement ein Innengewinde aufweisen, das in ein sich über einen Bereich des Arbeitsarms entlang diesem erstreckendes Spindelgewinde eingreift und durch Verdrehen an diesem verlagert werden kann.

Mehrere Elemente der Positioniereinheit, insbesondere die Schlitten, können ähnlich oder gleich aufgebaut sein. Dadurch lassen sich höhere Stückzahlen gleicher bzw. ähnlicher Elemente in der Positioniereinheit einsetzen, wodurch Kosten durch Skaleneffekte weiter reduziert werden können. Insbesondere kann die Positioniereinheit als Baukasten-System konstruiert werden. Dazu können einzelne Elemente der Positioniereinheit standardisiert hergestellt werden. Insbesondere lassen sich auch mehrere Anlenkungen durch gleichartige Gelenke realisieren.

Je nach Anwendungsfall bzw. Einsatzbereich der Positioniereinheit lässt sich eine geringe Bauhöhe zumindest in Bezug auf eine Achsrichtung realisieren. Dadurch kann die Zugänglichkeit zum Arbeitsraum erweitert bzw. verbessert werden. Es kann auch vorgesehen sein, mehrere Positioniereinheiten vorzusehen, die in den gleichen und/oder in sich überlappenden Arbeitsräumen arbeiten. Die Positioniereinheiten können insbesondere übereinander, nebeneinander, in einem Winkel zueinander, z. B. L-förmig oder mit einem Durchgang, oder gegenüberliegend angeordnet sein. Sind sie

übereinander oder nebeneinander angeordnet, können mehrere

Positioniereinheiten dieselbe Führung teilen, wodurch sich weitere

Kosteneinsparungen realisieren lassen.

Mehrere Positioniereinheiten können dieselbe Führung nutzen,

insbesondere können Schlitten unterschiedlicher Positioniereinheiten entlang derselben Führung verfahrbar sein. Für einige Applikationen können Schlitten überlappend gemeinsam aber mikroskopisch unabhängig bewegbar sein.

Die erfindungsgemäße Positioniereinheit kann insbesondere in

Handhabungssystemen, Bearbeitungsmaschinen, beispielsweise

Laserbearbeitungsmaschinen, Bestückungsmaschinen und dergleichen eingesetzt werden.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, anhand der Figuren der Zeichnung, die erfindungswesentliche Einzelheiten zeigen, sowie aus den Ansprüchen.

Die einzelnen Merkmale können je einzeln für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen bei Varianten der Erfindung verwirklicht sein. In der schematischen Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt, welche in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert werden. Es zeigen :

Fig. 1 eine erste Positioniereinheit in perspektivischer Ansicht;

Fig. 2 eine schematisierte Darstellung einer zur Positioniereinheit der

Fig. 1 analog aufgebauten Positioniereinheit;

Fig. 3 eine dritte Positioniereinheit mit vier steuerbaren Achsen in

schematischer Darstellung;

Fig. 4 eine vierte Positioniereinheit mit vier steuerbaren Achsen in

schematischer Darstellung;

Fig. 5 eine schematische Darstellung einer durch flexible Zugelemente gebildeten Parallelogramm-Mechanik;

Fig. 6 eine schematische Darstellung einer Impulsentkopplungseinheit;

Fig. 7 eine schematische Darstellung einer

Gewichtskompensationseinheit.

Die Fig. 1 zeigt eine erste Positioniereinheit 1 in perspektivischer

Darstellung. Zu erkennen sind zwei Steuerschlitten 2, 3 und ein

Arbeitsschlitten 4. Am Arbeitsschlitten 4 ist an einem Arbeitsfußpunkt 8 ein Arbeitsarm 5 angelenkt. An Steuerfußpunkten 9, 10 sind

Steuerarme 6, 7 an den Steuerschlitten 2 bzw. 3 angelenkt. Die Steuerarme 6, 7 sind des Weiteren an einer Steuerstelle 11 gelenkig mit dem Arbeitsarm 5 verbunden. Die Steuerstelle 11 weist dazu ein mit einem Drehgelenk kombiniertes Kreuzgelenk auf.

Die Steuerstelle 11 ist von einem Arbeitsstellen-Ende 12 des

Arbeitsarms 5 mit einer Lambdadistanz d beabstandet. Dabei entspricht das Arbeitsstellen-Ende 12 dem nicht am Arbeitsschlitten 4 bzw. am

Arbeitsfußpunkt 8 angelenkten Ende des Arbeitsarms 5. Am

Arbeitsstellen-Ende 12 ist ferner eine Arbeitseinheit 17 zu erkennen. Der Arbeitsschlitten 4 ist über den Arbeitsarm 5 und (um die y-Achse) drehmomentsteife und vorzugsweise spielfreie Gelenke verbunden. Andere Gelenke der Positioniereinheit können spielbehaftet ausgeführt werden. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Arbeitseinheit 17 als Halterung ausgebildet, an der ein Werkzeug montiert werden kann. Die

Steuerschlitten 2, 3 und der Arbeitsschlitten 4 sind verfahrbar an einer gemeinsamen Führung 13, insbesondere an ihren beiden

Führungsschienen 14, 15 angeordnet. Die Führung 13 ist wiederum an einem Gestell 18 montiert.

Energieführungen 19, 20, 21 versorgen die Steuerschlitten 2, 3 sowie den Arbeitsschlitten 4 bzw. an diesen Schlitten zu deren Antrieb vorgesehene stromdurchflossene Motorteile von Linearmotoren mit Strom.

Als Gegenstück zu den stromdurchflossenen Motorteilen ist in die

Führungsschiene 14 ein sich über die gesamte Führungsschiene 14 erstreckender, stromloser Stator integriert. Die stromdurchflossenen Motorteile und der stromlose Stator bilden somit jeweils Linearmotoren, mit denen die Steuerschlitten 2, 3 und der Arbeitsschlitten 4 verfahren werden können. Des Weiteren sind noch zwei Stützarme 22, 23 zu erkennen, die jeweils an einer Fußplatte 16 des Arbeitsschlittens 4 sowie an der Arbeitseinheit 17 angelenkt sind.

Die Fig. 2 zeigt eine stark schematisierte Darstellung einer

Positioniereinheit 101, die ähnlich wie die Positioniereinheit 1 aufgebaut ist. Es werden daher dieselben Bezugszeichen wie in der Fig. 1 für die jeweils sich entsprechenden Elemente verwendet.

In der Fig. 2 ist insbesondere zu erkennen, dass die Positioniereinheit 101 die Stützarme 22, 23 aufweist, die einerseits an der Fußplatte 16 und andererseits an der Arbeitseinheit 17 angelenkt sind. Die

Positioniereinheit 101 weicht von der Positioniereinheit 1 (Fig. 1)

insbesondere dadurch ab, dass bei der Positioniereinheit 101 beide

Stützarme 22, 23 unterhalb des Arbeitsarms 5 angeordnet sind.

Die Stützarme 22, 23 bilden eine Parallelogramm-Mechanik.

Außerdem bilden die Stützarme 22, 23 mit dem Arbeitsarm 5 eine

Parallelogramm-Mechanik.

Die Anlenkungen sind in diesem Ausführungsbeispiel durch Gelenke gebildet.

Des Weiteren ist in der Fig. 2 angedeutet, dass die Arbeitseinheit 17 in drei Richtungen x, y, z verfahrbar ist. Somit bildet die

Positioniereinheit 101 ein dreiachsiges System. Um die Arbeitseinheit 17 dazu jeweils in die x-, y- und/oder z-Richtung zu verfahren, können folgende drei Grundbewegungsmodi miteinander kombiniert werden.

Ein erster Grundbewegungsmodus ergibt sich, indem die

Steuerschlitten 2, 3 zueinander gegenläufig bewegt werden, während der Arbeitsschlitten 4 unbewegt bleibt. Dies führt zu einer

bahnschrankenartigen Bewegung des Arbeitsarms 5, wodurch sich die Arbeitseinheit 17 auf einer kreisförmigen Bahn in der durch die y- und z-Richtung aufgespannten Ebene verlagert.

Ein zweiter Grundbewegungsmodus ergibt sich daraus, dass die

Steuerschlitten 2, 3 in eine jeweils gleiche Richtung relativ zum

Arbeitsschlitten 4 verlagert werden. Dadurch wird die Arbeitseinheit 17 im Wesentlichen - insbesondere bei entsprechend gewählter

Relativgeschwindigkeit der Steuerschlitten 2, 3 zueinander - in der durch die x- und y-Richtung aufgespannten Ebene verlagert.

Ein dritter Grundbewegungsmodus, der zu einer ausschließlichen

Bewegung der Arbeitseinheit 17 entlang der x-Richtung führt, ergibt sich daraus, dass alle drei Schlitten, d. h. die Steuerschlitten 2, 3 und der Arbeitsschlitten 4 mit gleicher Geschwindigkeit entlang der Führung 13 verfahren werden.

Durch Kombination dieser drei Grundbewegungsmodi können somit vordefinierte Positionen innerhalb eines Arbeitsraums 24 wahlfrei mit der Arbeitseinheit 17 bzw. dem Arbeitsstellen-Ende 12 angefahren bzw.

erreicht werden. Die Steuerstelle 11 ist um die Lambdadistanz d von dem

Arbeitsstellen-Ende 12 beabstandet. Durch Wahl der Position der

Steuerstelle 11 entlang des Arbeitsarms 5 bzw. durch Wahl der

Lambdadistanz d lässt sich die Empfindlichkeit einstellen, mit der

Steuerbewegungen der Steuerschlitten 2, 3 zu Verlagerungen der

Arbeitseinheit 17 bzw. des Arbeitsstellen-Endes 12 führen.

In diesem Ausführungsbeispiel ist dazu vorgesehen, dass der Arbeitsarm 5 bereichsweise ein (in Fig. 1 und Fig. 2 nicht näher dargestelltes)

Spindelgewinde aufweist. Die Steuerstelle 11 weist ein Justierelement 25 mit einem Innengewinde auf, welches entlang des Spindelgewindes durch Verdrehen verlagerbar ist.

Die Fig. 3 zeigt nun eine weitere Positioniereinheit 201. Die

Positioniereinheit 201 ist weitgehend analog zur Positioniereinheit 101 der Fig. 2 aufgebaut, sodass im Folgenden nur die Besonderheiten der

Positioniereinheit 201 beschrieben werden.

Die Positioniereinheit 201 ist als vierachsiges System ausgebildet.

Zusätzlich zu der Bewegung einer Arbeitseinheit 217, die der

Arbeitseinheit 17 im Wesentlichen entspricht, in x-, y- und/oder

z-Richtung kann die Arbeitseinheit 217 zusätzlich um die z-Richtung entsprechend der Drehrichtung γ verschwenkt werden.

Dazu weist die Positioniereinheit 201 wiederum zwei

Steuerschlitten 202, 203 sowie zwei Stützarme 222, 223 auf. Im

Gegensatz zum Ausführungsbeispiel der Fig. 2 stützt sich dabei jedoch nur einer der beiden Stützarme, insbesondere der Stützarm 223, an einer Fußplatte 216 eines Arbeitsschlittens 204 ab bzw. ist an diesem

angelenkt. Der andere Stützarm 222 ist dagegen an einem Stützschlitten 226 angelenkt. In diesem Ausführungsbeispiel ist der Stützarm 222

beidenends mittels Kugelgelenken angelenkt. Der Stützschlitten 226 wiederum ist verfahrbar an einer Führung 213 mit zwei

Führungsschienen 214, 215, insbesondere an der Führungsschiene 215, angeordnet. Steuerschlitten 202, 203 und der Arbeitsschlitten 204 sind an der gemeinsamen Führungsschiene 214 verfahrbar angeordnet.

Beide Stützarme 222, 223 sind weiterhin an der Arbeitseinheit 217 angelenkt. Somit bilden die beiden Stützarme 222, 223 nun keine

Parallelogramm-Mechanik. Vielmehr kann der Stützschlitten 226 relativ zum Arbeitsschlitten 204 verfahren werden, wodurch die

Arbeitseinheit 217 entsprechend der Drehrichtung γ verschwenkt bzw. um die z-Richtung rotiert wird.

Fig. 4 zeigt nun als weiteres Ausführungsbeispiel eine

Positioniereinheit 301. Die Positioniereinheit 301 ist im Wesentlichen analog zu der vorbeschriebenen Positioniereinheit 201 als vierachsiges System aufgebaut. Im Gegensatz zur Positioniereinheit 201 wird jedoch die Steuerung der vierten Achse entsprechend der Drehrichtung γ durch eine Drahtseilmechanik realisiert. Im Folgenden werden daher zum

Verständnis der Funktionsweise der Drahtseilmechanik die wesentlichen Unterschiede zwischen den Positioniereinheiten 201 und 301 beschrieben.

Die Positioniereinheit 301 weist eine Arbeitseinheit 317 auf. Die

Arbeitseinheit 317 ist über eine Schwenkrolle 340, einen Arbeitsarm 305 und einen Stützarm 322 an einem Arbeitsschlitten 304 angelenkt.

Dazu ist der Arbeitsarm 305 an einem vom Arbeitsschlitten 304

beabstandeten Arbeitsfußpunkt 308 angelenkt. Der Stützarm 322 ist an einem ebenfalls vom Arbeitsschlitten 304 beabstandeten

Stützfußpunkt 341 angelenkt.

Mittels der Schwenkrolle 340 kann die Arbeitseinheit 317 entsprechend der Drehrichtung γ, d. h. entlang der z-Richtung relativ zum

Arbeitsschlitten 304 verschwenkt werden. Dazu ist die Schwenkrolle 340 drehbar zwischen dem Arbeitsarm 305 und dem Stützarm 322 gelagert und die Arbeitseinheit 317 ist mit der Schwenkrolle 340 fest verbunden.

Ein Drahtseil 342 umläuft bzw. umschlingt die Schwenkrolle 340 in

Schwenkrollennuten 345. Beide Enden des Drahtseils 342 sind an der Schwenkrolle 340 fixiert, wobei das Drahtseil 342 für einen präzisen Lauf mittels einer an der Schwenkrolle 340 angeordneten Spannschraube vorgespannt ist.

Die Schwenkrollennuten 345 dienen dabei insbesondere dazu, dass das Drahtseil 342 unabhängig von der Lage oder Position der

Arbeitseinheit 317 sicher an der Schwenkrolle 340 geführt wird und insbesondere ein Abrutschen des Drahtseils 342 verhindert wird. Die Anzahl der Umschlingungen des Drahtseils 342 um die Schwenkrolle 340 ist in Abhängigkeit von dem gewünschten maximalen Winkelbereich der Rotation um die z-Achse gewählt. In diesem Ausführungsbeispiel umschlingt das Drahtseil 342 die Schwenkrolle 340 einmal.

Das Drahtseil 342 wird von der Schwenkrolle 340 weiter über eine indirekt am Arbeitsschlitten 304 drehbar angeordnete Umlenkrolle 331 und eine weitere Umlenkrolle 330 und dann von dieser wieder über die

Umlenkrolle 331 zurück zur Schwenkrolle 340 geführt. Auch die

Umlenkrolle 331 weist Nuten zur Führung des Drahtseils 342 auf. Die Umlenkrolle 331 ist am Arbeitsfußpunkt 308 und am

Stützfußpunkt 341 drehbar fixiert.

Die Umlenkrolle 330 ist über eine Verbindungsschiene 344 mit dem

Arbeitsschlitten 304 fest verbunden, so dass diese bei Verlagerung des Arbeitsschlittens 304 mit diesem mit verlagert wird.

Zwischen Umlenkrolle 330 und Arbeitsschlitten 304 ist ein

Stützschlitten 326 angeordnet, der insbesondere relativ zum

Arbeitsschlitten 304 und zur Umlenkrolle 330 verlagerbar ist. Der

Stützschlitten 326 weist eine Seilfixierung 343 auf, über die das

Drahtseil 342 an wenigstens einer Stelle mit dem Stützschlitten 326 fest verbunden ist.

Durch Verlagern des Stützschlittens 326 relativ zum Arbeitsschlitten 304 bzw. zur Umlenkrolle 330 wird somit das Drahtseil 342 über die

Seilfixierung 343 bewegt, wodurch wiederum die Schwenkrolle 340 gesteuert, insbesondere rotiert, wird. Dadurch schwenkt die

Arbeitseinheit 317 entsprechend der Drehrichtung γ.

Somit lässt sich auch in diesem Ausführungsbeispiel eine vierte Achse durch den Stützschlitten 326 steuern.

In einer alternativen Ausführung der Erfindung ist es vorgesehen, das Drahtseil lediglich um die dann drehfeste Umlenkrolle 331 und die

Schwenkrolle 340 und nicht über die Umlenkrolle 330 zu führen. Dadurch lässt sich auf einfache und kostengünstige, alternative Weise die

Arbeitseinheit 317 entsprechend einer Parallelogramm-Mechanik steuern. Die schematisierte Darstellung der Fig. 5 zeigt nun eine alternative

Ausführung zweier Stützarme als flexible Zugelemente, mit denen eine Parallelogramm-Mechanik gebildet wird.

Zu erkennen ist in Seitenansicht ein Arbeitsschlitten 404, der mit einer Arbeitseinheit 417 über zwei Federstahlbänder 427, 428 verbunden ist. Die Federstahlbänder 427, 428 sind dabei aus elastischem Federstahl gebildet und bilden flexible Zugelemente. Ferner ist in der Fig. 5 zu erkennen, dass ein (druckbelastbarer) Arbeitsarm 405 an der

Arbeitseinheit 417 sowie an dem Arbeitsschlitten 404 angelenkt ist.

Wird nun die Arbeitseinheit 417 relativ zum Arbeitsschlitten 404 in der Bildebene der Fig. 5 bewegt, so verbiegen die Federstahlbänder 427, 428, behalten dennoch ihre Zugwirkung bei. Somit wird eine Parallelogramm- Mechanik gebildet, wobei auf Gelenke für die Federstahlbänder 427, 428 verzichtet werden kann.

Die Fig. 6 zeigt nun in schematisierter Darstellung Aufbau und

Funktionsweise einer Impuls-Entkopplungseinheit 537 einer

Positioniereinheit.

Zu erkennen ist zunächst eine Führung 513, an der ein Schlitten, insbesondere ein Steuerschlitten 502, verfahrbar angeordnet ist. Zum Antrieb des Steuerschlittens 502 ist ein Linearmotor vorgesehen. Der Linearmotor wird durch einen stromlosen Stator 532, der einen

Magnetstreifen mit regelmäßig angeordneten magnetischen Bereichen wechselnder Polarisationsrichtungen aufweist, und ein

stromdurchflossenes Motorteil 535 gebildet. Der Stator 532 und das stromdurchflossene Motorteil 535 gleiten aneinander entlang und bilden zusammen einen Linearmotor.

Über eine Energieführung 536 wird das Motorteil 535 mit Strom versorgt.

Der Stator 532 ist an der Führung 513 entlang dieser verschiebbar gelagert.

Bei Beschleunigung des Steuerschlittens 502 stützt sich dieser

kraftschlüssig an dem Stator 532 ab. Durch den Rückstoßimpuls wird der Stator 532 entgegen der Beschleunigungsrichtung des

Steuerschlittens 502 beschleunigt. Um die absoluten Auslenkungen des Stators 532 gering zu halten, sind zusätzliche Massen 533, 534

vorgesehen. Diese weisen ein wesentlich höheres, insbesondere ein Vielfaches der Masse des Steuerschlittens 502 auf. Durch die

Beweglichkeit des Stators 532 beschleunigen somit Rückstoßimpulse des Steuerschlittens 502 bzw. der daran angeordneten Massen den Stator 532 mit seinen Massen 533, 534. Ein die Positioniereinheit tragendes

Gestell (in der Fig. 6 aus Vereinfachungsgründen nicht näher dargestellt) wird somit von den Rückstoßimpulsen entlastet.

Der Steuerschlitten 502 ist beispielhaft dargestellt für weitere Schlitten, insbesondere für einen weiteren Steuerschlitten und für einen

Arbeitsschlitten, die analog zum Schlitten 502 entlang des Stators 532 verfahrbar angeordnet sind. Somit können mit der in Fig. 6 dargestellten Anordnung Rückstoßimpulse mehrerer Schlitten entkoppelt bzw.

abgefangen werden.

Dabei weist die Positioniereinheit bei einer alternativen Ausführung zusätzlich ein Positionsmesssystem zur Erfassung der Position des Stators 532 auf. Mit diesem wird laufend die Position des Stators 532 erfasst bzw. überwacht, so dass das stromdurchflossenen Motorteil 535 abgestimmt auf die jeweilige Position des Magnetstreifens bzw. der Position der magnetischen Bereiche und ihrer jeweiligen

Polarisationsrichtungen, angesteuert werden kann.

Die Fig. 7 zeigt nun noch ein Ausführungsbeispiel einer

Gewichtskompensationseinheit 638.

In Seitenansicht ist eine Arbeitseinheit 617 zu erkennen. Durch die Masse der Arbeitseinheit 617 kommt es zu einer in die Schwerkraftrichtung g gerichteten Gewichtskraft. Diese gilt es zur Erreichung einer hohen

Dynamik eines Positioniersystems und zur Entlastung der jeweiligen Antriebe zu kompensieren.

Die Funktionsweise der Kompensationseinheit 638 wird dabei beispielhaft anhand von zwei Stützarmen 622, 623, die eine Parallelogramm-Mechanik bilden, beispielhaft erläutert. Zu erkennen ist, dass ein

Kompensationselement 639 zwischen den Stützarmen 622, 623

angeordnet ist. Das Kompensationselement 639 ist in diesem

Ausführungsbeispiel als Druckfeder ausgebildet.

In einer alternativen Ausführung wird das Kompensationselement 639 durch in den Anlenkungen angeordneten Spiralfedern gebildet. In einer weiteren alternativen Ausführung ist das Kompensationselement 639 als pneumatischer Kolben ausgebildet.

Wird somit die Arbeitseinheit 617 entlang der Bildebene, d. h. in oder entgegen der Schwerkraftrichtung g und damit aus einer Nulllage heraus bewegt, wird das Kompensationselement 639 gespannt. Das Kompensationselement 639 arbeitet somit jeweils entgegen einer

Auslenkung der Arbeitseinheit 617 aus ihrer Nulllage. Durch Vorspannung des Kompensationselements 639 lässt es sich insbesondere erreichen, dass sich die Arbeitseinheit 617 im Ruhezustand im Bereich ihrer Nulllage befindet. Im Falle der alternativen Ausführung als pneumatischer Kolben wird dazu durch Druckregulierung eine auf die jeweilige zu

kompensierende Masse angepasste Ausgleichskraft hydraulisch erzeugt.

Das Gewicht der Arbeitseinheit 617 wird somit durch das

Kompensationselement 639 zumindest teilweise kompensiert. Daneben kann so auch sichergestellt werden, dass in einer Notaus-Situation die Arbeitseinheit 617 zumindest in Richtung ihrer Nulllage zurückverlagert wird.

B e z u a s z e i c h e n 1 i s t e : , 101, 201, 301 Positioniereinheit

, 3, 202, 203, 502 Steuerschlitten

, 204, 304, 404 Arbeitsschlitten

, 305, 405 Arbeitsarm

, 7 Steuerarm

, 308 Arbeitsfußpunkt

, 10 Steuerfußpunkt

1 Steuerstelle

2 Arbeitsstellen-Ende

3, 213, 513 Führung

4, 15, 214, 215 Führungsschiene

6, 216 Fußplatte

7, 217, 317, 417, 617 Arbeitseinheit

8 Gestell

9, 20, 21, 536 Energieführung

2, 23, 222, 223, 322, 622, 623 Stützarm

4 Arbeitsraum

5 Justierelement

26, 326 Stützschlitten

27, 428 Federstahlband

30, 331 Umlenkrolle

32 Stator

33, 534 Masse

35 Motorteil

37 Impulsentkopplungseinheit 638 Gewichtskompensationseinheit

639 Kompensationselement 340 Schwenkrolle

341 Stützfußpunkt

342 Drahtseil

343 Seilfixierung

344 Verbindungsschiene 345 Schwenkrollennut d Lambdadistanz

x, y, z Richtungen

y Drehrichtung

Schwerkraftrichtung