-
Die vorliegende Neuerung betrifft
ein Positionierungssystem mit einem elektromagnetischen Linearantrieb
zur Bewegung eines ersten Laufwagens, wobei der Linearantrieb in
bekannter Weise eine Aktiveinheit und eine Passiveinheit besitzt,
wobei die Aktiveinheit mit dem Laufwagen verbunden ist und wobei
sich die Passiveinheit entlang eines Portalträgers erstreckt, an welchem
der Laufwagen längs
zum Portalträger
beweglich angeordnet ist.
-
Für
die Bewegung und Positionierung von Teilen in mehrdimensionalen
Bearbeitungsräumen werden
insbesondere bei größeren Verfahrwegen sogenannte
Portalsysteme eingesetzt. Aus der
DE 41 27 446 A1 ist ein Portalroboter zur
mehrdimensionalen Bewegung von Teilen bekannt. Dabei überspannt
ein Portalträger,
der von ortsfesten Stützen getragen
wird, einen Bearbeitungsraum. An diesem Portalträger ist eine Fahreinheit geführt, die
eine Bewegung längs
des Portalträgers
ermöglicht.
Durch mehrere Antriebe kann eine Greifeinheit auch quer zum Portalträger bewegt
werden und außerdem
eine Höhenveränderung
senkrecht zu den beiden vorgenannten Bewegungsachsen ausführen. Der
Portalroboter ermöglicht
somit zumindest Bewegungen entlang von drei zueinander senkrecht
stehenden Achsen X, Y, Z. Über
weitere Antriebseinheiten können zusätzlich Drehbewegungen
realisiert werden. Bei diesem bekannten Portalroboter erfolgt der
Antrieb entlang der Linearachsen durch herkömmliche Motoren und unter Verwendung
von Getrieben und Führungseinheiten.
Die Details der Antriebe sind in der
DE 41 27 446 A1 nicht erläutert.
-
In der
DE 44 43 467 C1 ist ein Linearantrieb mit
einer ortsfesten Führungsschiene
und einem auf dieser verfahrbaren Primärschlitten gezeigt. Die Führungsschiene
ist an einem Portalträger
befestigt. Der Schlitten wird über
einen Getriebemotor und einen Zahnriemen zu einer Bewegung längs der
Führungsschiene
veranlasst. An diesem Primärschlitten
ist ein Sekundärschlitten
mit einem eigenen Antrieb angeordnet, wobei der Sekundärschlitten
quer zum Primärschlitten
bewegt werden kann. Außerdem
ist ein verfahrbarer Vertikalschlitten vorgesehen, der die Bewegung
entlang einer dritten Linearachse ermöglicht.
-
Derartigen Portalsystemen ist gemeinsam, dass
entlang der Hauptbewegungsachse, also parallel zum Portalträger, relativ
große
Verfahrwege realisiert werden können,
in der Regel mehr als 2 m und auch über 10 m hinaus. Auf den eingesetzten
Portalträgern
können
bei Bedarf auch mehrere Laufwagen bewegt werden, wenn dies die Antriebseinheiten
zulassen. Zumeist ist über
einen zweiten Antrieb eine zweite Bewegungsachse ansteuerbar, die
in einer parallelen Ebene quer zur ersten Bewegungsachse verläuft. Damit
innerhalb des Bearbeitungsraumes beliebige Punkte angefahren werden
können,
ist eine dritte Bewegungsachse erforderlich, die senkrecht zu den
beiden anderen Bewegungsachsen steht und ggf. nur einen relativ
kleinen Verfahrweg besitzen muss.
-
Der Antrieb des Laufwagens in Richtung
der Hauptbewegungsachse (parallel zum Portalträger) kann beispielsweise unter
Nutzung einer Zahnstange erfolgen, wenn auf dem Laufwagen ein Motor
ein Ritzel antreibt, welches mit der Zahnstange in Eingriff steht.
Die erzielbaren Geschwindigkeiten bei Zahnstangenantrieben sind
relativ gering und es treten störende Geräusche, erhöhter Verschleiß und Positionierungsungenauigkeiten
aufgrund vorhandenen Spiels auf.
-
Eine andere bekannte Antriebsvariante
für Portalsysteme
besteht in der Nutzung von Zahnriemen oder vergleichbaren Seilantrieben.
In beiden Fällen
ist die erreichbare Dynamik bei der Bewegung des Laufwagens begrenzt.
Beim Einsatz von Zahnriemenantrieben besteht ein besonderes Problem
im Auftreten von Schwingungen, die eine schnelle und genaue Positionierung
verhindern.
-
Es sind auch Portalsysteme bekannt,
die elektromagnetische Linearmotoren als Direktantrieb für die Laufwagen
verwenden. Derartige Linearmotoren (lineare Synchronmotoren) besitzen
eine Aktiveinheit mit einer Lauffläche und Spulensystemen, durch
welche ein veränderlicher
Magnetfluss erzeugt wird. Weiterhin ist eine Passiveinheit vorgesehen,
die Magnetflussbereiche mit Permanentmagneten und Rückschlusselementen – aufweist,
um eine Relativkraft zwischen Aktiveinheit und Passiveinheit zu
erzeugen. Zwischen Aktiv- und Passiveinheit verbleibt ein Luftspalt,
der eine Relativbewegung ermöglicht. Je
nach Anwendung wird entweder die Aktiveinheit oder die Passiveinheit
bewegt. Der generelle Aufbau solcher linearer Synchronmotoren ist
bekannt. Auf eine detaillierte Erläuterung der Funktionsweise
und des Aufbaus elektromagnetischer Linearmotoren kann an dieser
Stelle daher verzichtet werden.
-
Üblicherweise
wirken zwischen der Aktiveinheit und der Passiveinheit Magnetkräfte, die
eine starke Anziehungskraft zur Folge haben und von den eingesetzten
Führungseinheiten
aufgenommen werden müssen.
Sofern bei Portalsystemen bisher Linearmotoren eingesetzt wurden,
waren daher kompliziertere, teurere und größer dimensionierte Führungseinheiten
(z.B.
-
Kugelumlauflager) erforderlich, die
hohe Reibungskräfte
zur Folge aufweisen, wodurch hoch dynamische Bewegungen beeinträchtigt werden.
-
Eine Aufgabe der vorliegenden Neuerung besteht
somit darin, ein Portalsystem bereitzustellen, welches einen elektromagnetischen
Synchron-Linearmotor als Antriebsquelle nutzt, um die damit verbundenen
Vorteile gegenüber
anderen Antrieben zu realisieren. Gleichzeitig sollen die Nachteile
vermieden werden, die sich aus bisher notwendigen Führungseinheiten
bei der Verwendung von Linearmotoren ergeben hatten.
-
Diese und weitere Aufgaben werden
durch das neuerungsgemäße Positionierungssystem
gelöst,
bei welchem die Aktiveinheit zwei gleichartige sich gegenüberliegende,
nach außen
gewandte Laufflächen
besitzt und die Passiveinheit zwei gleichartige sich gegenüberliegende
Magnetflussbereiche mit Permanentmagneten umfasst, zwischen denen eine
Laufrinne ausgebildet ist, die sich parallel zum Portalträger erstreckt,
wobei die Aktiveinheit in der Laufrinne geführt ist und wobei die Summe
der zwischen Aktiveinheit und Passiveinheit senkrecht zur Laufrichtung
wirkenden Magnetkräfte
im Wesentlichen Null ist.
-
Durch diese Gestaltung ist der Linearantrieb durch
zwei Antriebsebenen gebildet, die parallel zueinander liegen. Die
funktionsbedingt zwischen der Lauffläche der Aktiveinheit und dem
Magnetflussbereich der Passiveinheit auftretenden magnetischen Anziehungskräfte sind
bei gleichartiger Gestaltung der beiden Antriebsebenen gleich groß und wirken
in entgegengesetzter Richtung, so dass die quer zur Laufrichtung
auf die Aktiveinheit einwirkenden Verschiebekräfte sich einander aufheben.
Die Führungseinheit
des Positionierungssystems, die zwischen dem ersten Laufwagen und
dem Portalträger
angeordnet ist, muss somit keine seitlichen Verschiebekräfte aufnehmen.
Dadurch reduzieren sich Reibungsverluste in der Führungseinheit,
wodurch das Positionierungssystem wesentlich dynamischer betrieben
werden kann.
-
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform besteht
die Führungseinheit
aus zwei an der Unterseite des Portalträgers befestigten Führungsschienen,
mit denen der erste Laufwagen in Eingriff steht. Die Führungsschienen
nehmen die Gewichtskräfte des
Laufwagens und der an diesem gegebenenfalls befestigten weiteren
Einheiten auf. Bei einer abgewandelten Ausführungsform können auch
Führungsplatten
am Portalträger
befestigt sein, die mit Laufrollen zusammenwirken, welche am Laufwagen
befestigt sind. Anders als bei Positionierungssystemen nach dem
Stand der Technik ist die Aufnahme von quer zur Laufrichtung wirkenden
Kräften
nicht oder zumindest in deutlich geringerem Umfang erforderlich,
da permanente seitliche Anziehungskräfte, die aus dem Linearantrieb
resultieren, nicht auftreten.
-
Bei einer weitergebildeten Ausführungsform ist
am ersten Laufwagen ein Querpositionierungssystem mit einem zweiten
Laufwagen befestigt. Dieses Querpositionierungssystem entspricht
in seinem Aufbau weitgehend dem bereits erläutertem Positionierungssystem,
wobei die Funktion des Portalträgers durch
den ersten Laufwagen übernommen
wird. Das Querpositionierungssystem ermöglicht eine Bewegung des zweiten
Laufwagens in einer zweiten Richtung, so dass zweidimensionale Positionierungen möglich werden.
Diese Ausführungsform
kann nochmals weitergebildet werden, indem am zweiten Laufwagen
ein Höhenpositionierungssystem
mit einem dritten Laufwagen befestigt ist. Die drei damit zur Verfügung stehenden Bewegungsachsen
stehen vorzugsweise senkrecht zueinander, um dreidimensionale Positionierungen
unter Nutzung einfacher bekannter Steuerungssysteme zu ermöglichen.
-
Es sind auch Ausführungsformen möglich, bei
denen mehrere erste Laufwagen am Portalträger verfahrbar angeordnet sind.
Jeder Laufwagen besitzt dabei eine eigene Aktiveinheit als Antriebsquelle,
wobei alle Aktiveinheiten mit derselben Passiveinheit zusammenwirken. Über eine
geeignete Steuerung müssen
natürlich
Kollisionen zwischen den einzelnen Laufwagen vermieden werden.
-
Weitere Vorteile, Einzelheiten und
Weiterbildungen der vorliegenden Neuerung ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen,
unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Jetzt zeigen:
-
1 eine
schematische Perspektivdarstellung eines Positionierungssystems
mit drei Bewegungsachsen gemäß dem Stand
der Technik;
-
2 zwei
Ansichten einer ersten Ausführungsform
eines Positionierungssystems mit einem Linearantrieb gemäß der vorliegenden
Neuerung;
-
3 zwei
Ansichten einer zweiten Ausführungsform
des Positionierungssystems gemäß der vorliegenden
Neuerung;
-
4 eine
Prinzipdarstellung des Linearmotors des Positionierungssystems.
-
1 zeigt
eine schematische Perspektivdarstellung eines Positionierungssystems,
wie es in seinen Grundkomponenten aus dem Stand der Technik bekannt
ist. Der mögliche
Bearbeitungsraum kann durch ein Koordinatensystem beschrieben werden,
wie es in der 1 durch
die drei Koordinatenpfeile X, Y, Z verdeutlicht ist. Ein solches
Positionierungssystem umfasst beispielsweise zwei Fußplatten 1,
auf denen jeweils eine Tragsäule 2 aufgesetzt
ist. Zwischen den sich gegenüberstehenden
Tragsäulen 2 verläuft ein
Portalträger 3.
Ein erster Laufwagen 4 wird durch einen Antrieb parallel
zum Portalträger 3 bewegt,
wie dies durch den Bewegungspfeil verdeutlicht ist. In dem dargestellten
Beispiel wird der erste Laufwagen 4 also in X-Richtung
bewegt. Weiterhin besitzt das Positionierungssystem einen zweiten Laufwagen 5 und
einen dritten Laufwagen 6, die jeweils in Y-Richtung bzw.
Z-Richtung bewegt werden können.
-
2 zeigt
zwei Detailansichten einer ersten Ausführungsform des neuerungsgemäßen Positionierungssystems,
wobei die rechte Darstellung eine Ansicht im Querschnitt des Portalträgers ist,
während die
linke Darstellung eine Frontalansicht auf den Portalträger ist.
Durch die den Darstellungen zugeordneten Koordinatenpfeile ist die
jeweilige Blickrichtung verständlich
gemacht. Die nachfolgend genannten Bewegungsangaben beziehen sich
ebenfalls auf diese Koordinaten.
-
Der Portalträger 3 besteht beispielsweise aus
einem Vierkantprofil aus möglichst
steifem Material, um Schwingungen und Temperaturabhängigkeiten
zu reduzieren. An der Unterseite des Portalträgers 3 sind zwei Führungsschienen 8 befestigt,
die mit Führungselementen 9 des
ersten Laufwagens 4 in Eingriff stehen. Die aus den Führungsschienen 8 und
den Führungsele menten 9 gebildete
Führungseinheit
ermöglicht
eine Verschiebung des ersten Laufwagens 4 in X-Richtung,
also in Längsrichtung des
Portalträgers 3.
Der Antrieb des ersten Laufwagens 4 erfolgt durch einen
elektromagnetischen Linearmotor (Direktantrieb), der eine Aktiveinheit 10 und eine
Passiveinheit 11 umfasst. Die Passiveinheit 11 ist
an der Unterseite des Portalträgers 3 befestigt
und besitzt zwei gleichartige sich gegenüberliegende Magnetflussbereiche,
so dass zwischen diesen Magnetflussbereichen eine Laufrinne ausgebildet
ist, in welche die Aktiveinheit 10 eingreift. Die Aktiveinheit 10 besitzt
ihrerseits zwei gleichartige Laufflächen, die an den Außenseiten
angeordnet sind und während
des Betriebs den Magnetflussbereichen der Passiveinheit gegenüberstehen.
Die durch die Magnetfelder (Dauermagnetfelder und elektromagnetische
Felder) hervorgerufenen Anziehungskräfte zwischen der Aktiveinheit
und der Passiveinheit gleichen sich durch diesen symmetrischen Aufbau
aus, so dass die in Y-Richtung und in Z-Richtung resultierenden Kräfte im Wesentlichen
gleich Null sind.
-
Da die Aktiveinheit 10 fest
mit dem ersten Laufwagen 4 verbunden ist, wird dieser in
X-Richtung bewegt, wenn der Linearmotor mit Antriebsströmen angesteuert
wird. Die Führungsschienen 8 und
die Führungselemente 9 müssen dabei
keine oder nur sehr geringe Kräfte
in Y-Richtung aufnehmen. Natürlich
wirkt auf die Führungseinheit 8, 9 die
Gewichtskraft des ersten Laufwagens 4 und der daran befestigten
weiteren Einheiten in Z-Richtung.
-
Es soll auf einen weiteren besonderen
Vorteil hingewiesen werden, der sich aus der Anbringung des Linearantriebs
an der Unterseite des Portalträgers
ergibt. Der Antrieb ist durch diese Positionierung besser vor Verschmutzungen
geschützt, wodurch sich
seine Einsatzfähigkeit
in industriellen Umgebungen verbessert. Insbesondere in Fertigungsbereichen
lassen sich bestimmte Schmutzbelastungen nicht vermeiden. Beispielsweise
lagern sich Metallspäne
oder andere Verunreinigungen bevorzugt auf den Permanentmagneten
der Passiveinheit aber auch auf den Laufflächen der Aktiveinheit ab, wenn diese
horizontal ausgerichtet sind. Durch die vertikale Anordnung unter
dem Portalträger
ist der Linearantrieb gut gegen solche Verschmutzungen geschützt.
-
Um eine Positionierung in Y-Richtung
ebenfalls zu ermöglichen,
ist am ersten Laufwagen 4 ein Querpositionierungssystem
angeordnet. Dieses besteht im Wesentlichen aus den selben Elementen, wie
das zuvor beschriebene Positionierungssystem, welches für die Bewegung
des ersten Laufwagens in X-Richtung verantwortlich ist. An der Unterseite
des ersten Laufwagens 4 sind dafür zweite Führungsschienen 15 angeordnet,
die mit zweiten Führungselementen 16 in
Eingriff stehen. Die zweiten Führungselemente 16 sind
ihrerseits an dem zweiten Laufwagen 5 befestigt, der in
Y-Richtung verfahrbar ist. Als Antrieb fungiert ein zweiter Linearantrieb
mit einer zweiten Aktiveinheit 18 und einer zweiten Passiveinheit 19.
Da für
den Antrieb des zweiten Laufwagens 5 das gleiche Prinzip
genutzt wird wie beim Antrieb des ersten Laufwagens, treten auch
hier keine unerwünschten
Querkräfte
auf, so dass ebenfalls die Aufwendungen für die Führungseinheit gering sind und
trotzdem hohe Positioniergenauigkeiten erreicht werden können.
-
Es ist darauf hinzuweisen, dass durch
das gewählte
Antriebsprinzip auch ein manueller Einrichtbetrieb ermöglicht wird,
da die Linearmotoren auch ohne Bestromung bewegt werden können. Bei
herkömmlichen
Portalsystemen ist dies normaler weise nicht möglich, da die Reibungskräfte in den
erforderlichen Führungseinheiten
zu groß sind.
-
Die Anordnung der gesamten Antriebselemente
unterhalb des Portalträgers
bringt außerdem den
Vorteil mit sich, dass die durch Nutzlasten eingeleiteten Kräfte gleichmäßig auf
die Führungseinheiten
einwirken, wodurch wiederum einfachere und preiswertere Führungen
genutzt werden können.
-
Wie in 2 weiterhin
ersichtlich ist, befindet sich bei der dargestellten Ausführungsform
unterhalb des zweiten Laufwagens 5 der dritte Laufwagen 6, der
vertikal bewegt werden kann, also in Z-Richtung. Als Antrieb für die Vertikalbewegung
dient beispielsweise ein Kurzhubzylinder 20. Die Führung des
dritten Laufwagens 6 erfolgt in diesem Fall über Führungssäulen 21.
-
3 zeigt
zwei Detailansichten einer zweiten Ausführungsform des neuerungsgemäßen Positionierungssystems.
Auch hier ist die rechte Darstellung ein Querschnitt durch den Portalträger 3,
während
die linke Darstellung ein Detail einer Frontalansicht auf den Portalträger zeigt.
An der Unterseite des Portalträgers 3 ist
wiederum die Passiveinheit 11 des Linearantriebs befestigt.
Der erste Laufwagen 4 trägt die Aktiveinheit 10 des
Linearantriebs.
-
Zur Vereinfachung ist in 3 nur der erste Laufwagen 4 einschließlich seiner
Antriebs- und Führungselemente
dargestellt, welcher wiederum eine Bewegung in X-Richtung ermöglicht (parallel
zum Portalträger).
Die weiteren Elemente, die für
eine Bewegung in Y-Richtung und Z-Richtung erforderlich sind, wurden
in 3 nicht dargestellt.
-
Der wesentliche Unterschied der Ausführungsform
gemäß 3 im Vergleich zur oben
beschriebenen Ausführungsform
besteht in der Gestaltung der Führungseinheit.
In diesem Fall sind an der Unterseite des Portalträgers 3 zwei
Flachschienen 23 befestigt, die mit Laufrollen 24 zusammenwirken, welche
ihrerseits am ersten Laufwagen 4 befestigt sind. Da die
Laufrollen 24 an die gegenüberliegenden Stirnseiten der
beiden Flachschienen 23 angreifen, ist eine seitliche Führung des
ersten Laufwagens in Y-Richtung gewährleistet. Allerdings muss
diese Führung
wesentlich geringere seitlich wirkende Kräfte aufnehmen als bei Positionierungssystem
nach dem Stand der Technik, wo die Führungseinheit auch die Anziehungskräfte zwischen
der Aktiveinheit und der Passiveinheit des Linearantriebs aufnehmen muss.
-
4 zeigt
in einer Schnittansicht den prinzipiellen Aufbau des Linearantriebs,
der für
den Antrieb des ersten Laufwagens in X-Richtung benutzt wird. Es
ist erkennbar, dass sich die zweiteilige Passiveinheit 11 zu
beiden Seiten der Aktiveinheit 10 erstreckt. Die beiden
Flächen
der Passiveinheit 11, welche die Laufrinne für die Aktiveinheit
ausbilden, besitzen jeweils magnetische Rückschlussbereiche 25 und
eine Vielzahl von Permanentmagneten 26. Wie es generell
von Synchronmotoren bekannt ist, sind die Permanentmagnete 26 mit
alternierender Polarität
ausgerichtet. Um die benötigten
relativ hohen Antriebskräfte
erzeugen zu können,
werden in der Aktiveinheit 10 mehrere Eisenkerne 27 verwendet,
auf denen elektrische Spulen 28 aufgewickelt sind. Die
Eisenkerne 27 erstrecken sich I-förmig zwischen den beiden Laufflächen der
Aktiveinheit 10, die den Magnetflussbereichen der Passiveinheit 11 jeweils
gegenüber
liegen. Wenn die Spulen 28 von einer Steuereinheit in bekannter
Weise bestromt werden, bewegt sich die Aktiveinheit 10 aufgrund
der wirkenden Magnetkräfte
in X-Richtung. Die zwischen den Eisenkernen 27 und den
Permanentmagneten 26 wirkenden seitlichen Kräfte werden
durch den symmetrischen Aufbau des Linearantriebs weitgehend kompensiert, so
dass die auf die Aktiveinheit 10 einwirkende resultierende
Kraft in Y-Richtung im Wesentlichen gleich Null ist.
-
Weitere Abwandlungen des neuerungsgemäßen Positionierungssystems
sind denkbar. Die entscheidenden Vorteile gegenüber herkömmlichen Positionierungssystemen
ergeben sich aus der Nutzung eines speziell konfigurierten Linearantriebs, welcher
keine Getriebeelemente oder sonstigen Kraftübertragungselemente benötigt und
außerdem die
magnetischen Anziehungskräfte
zwischen Aktiveinheit und Passiveinheit durch einen symmetrischen
Aufbau ausgleicht, so dass die Führungseinheiten
keine oder nur sehr geringen Querkräfte aufnehmen müssen.
-
Außerdem bringt die Anordnung
des Linearantriebs an der Unterseite des Portalträgers gegenüber der
Anordnung des Antriebs an der Seitenwand des Portalträgers erhebliche
Vorteile hinsichtlich der Gestaltung der Führungseinheiten mit sich.
-
- 1
- Fußplatten
- 2
- Tragsäule
- 3
- Portalträger
- 4
- erster
Laufwagen
- 5
- zweiter
Laufwagen
- 6
- dritter
Laufwagen
- 8
- Führungsschienen
- 9
- Führungselemente
- 10
- Aktiveinheit
- 11
- Passiveinheit
- 15
- zweite
Führungsschienen
- 16
- zweite
Führungselemente
- 18
- zweite
Aktiveinheit
- 19
- zweite
Passiveinheit
- 20
- Kurzhubzylinder
- 21
- Führungssäulen
- 23
- Flachschienen
- 24
- Laufrollen
- 25
- Rückschlussbereiche
- 26
- Permanentmagnete
- 27
- Eisenkerne
- 28
- Spulen