-
Die Erfindung betrifft eine SositionierunÕseinrichtunb
-
bestehend aus einem beweglichen Antriebsteil und aus einem Statorteil.
Insbesondere betrifft die Erfindung eine Positionierungseinrichtung zur Einstellung
eines Körpers in eine Stellung in einer vorgegebenen Fläche, insbesondere Ebene,
enthaltend einen aus Weicheisen bestehenden stationären Grundkörper mit sich aus
dem Grundkörper erhebenden, in Reihen und Zeilen, vorzugsweise 0 unter 90 angeordneten
Polen, wobei durch die Reihen und Zeilen die Bewegungsrichtungen gegeben sind, zwei
Antriebswicklungen und ein über den Polen verschiebbar gelagertes, mit dem Körper
verbundenes bewegliches Antriebsteil, das wenigstens einzeln Magneten aufweist.
-
Eine solche Positionierungseinrichtung ist aus der DE-OS 21 66 956
bekannt. Dort ist eine Grundplatte mit einer Schicht von Weicheisen vorgesehen und
es sind auf dieser Platte Weicheisenpole ausgebildet. Mit Ausnahme der Pole ist
die Weicheisenschicht mit einer dünnen Schicht leitenden Materials überzogen. Gegenüber
diesen Polen ist eine Platte bewegbar gelagert, die ebenfalls äus Weicheisen besteht
und als Pole dienende Vorsprünge aufweist. Diese Pole sind mit Wicklungen versehen.
Durch Ansteuerung der pro Richtung zweiphasigen Wicklung mit um 900 verschobenen
Strömen wird eine Wanderung des Magnetfelds erzeugt, wodurch Wirbelströme in der
leitenden Schicht erzeugt werden.
-
Die Wechselwirkung des Magnetfeldes und der Wirbelströme bewirkt eine
Verschiebungskraft zwischen dem stationären und dem beweglichen Teil und damit eine
Bewegung des beweglichen Teils über den stationären Polen. Nachteilig hieran ist
die Notwendigkeit, dem beweglichen Teil die benötigten Antriebsströme zuführen zu
müssen.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Positionierungseinrichtung
für
einen Xörper in einer Fläche, vorzugsweise einer Ebene zu schaffen, bei der die
Stromzuführung nicht zwn beweglichen Teil erfolgt, das relativ einfach aufgebaut
ist und damit leicht ist und das damit eine schnelle Verstellung in eine von einer
Vielzahl von möglichen Positionen in der Fläche zuläßt.
-
Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, daß auf dem Antriebsteil eine permanentmagnetische
Belegung aufgebracht ist und daß das Statorteil gekreuzt angeordnete Statorwicklungen
aufweist derart, daß durch elektrische Ansteuerung der Wicklungen eine Bewegung
des Antriebsteils in zwei t)imensionen in einer Fläche ermöglcht wird.
-
Ist die Bewegungsfläche eine Ebene, so liegen die gekreuzten Wicklungen
vorzugsweise senkrecht zueinander in einer Ebene, Ist die vorgegebene Bewegungsfläche
zylinderförmig oder teilzylinderförmig, so liegen die Teile oder eine Wicklung parallel
zur Drehachse des Zylinders und die andere Wicklung ist senkrecht dazu angeordnet.
In der einen Bewegungsrichtung kommt es somit zu einer Drehung um die Zylinderachse,
in der anderen Bewe.gungsrichtung findet dagegen eine Translation statt. Ist die
Fläche dagegen eine Kugel oder ein Teil einer Kugel, so finden zwei Drehungen des
bewegten Teils um den Kugelmittelpunkt statt. Die Wicklungen liegen hier auf einer
Kugeloberfläche und kreuzen sich vorzugsweise unter 900. In beiden Fällen müssen
die bewegten Antriebsteile einem Teil der Bewegungsfläche in der Form angepaßt sein.
-
Vorzugsweise ist die Wicklung für jede Antriebsrichtung zweiphasig
ausgebildet und die Wicklungsteile sind in Nuten des Stators eingelegt, der aus
Weicheisen besteht.
-
Man kann den Antrieb der erfindungsgemäßen Einrichtung ähnlich wie
bei einem Schrittmotor durch Zuführung von Impulsen bewirken. Es ist jedoch auch
ein Antrieb ähnlich einem kollektorlosen Gleichstrommotor möglich, wobei Steuereinrichtungen
in Abhängigkeit von der Stellung und dem zurückzulegenden Weg des Antriebsteiles
die Kommutierung bewirken.
-
Da es für den erfindungsgemäßen Gegenstand wichtig ist, daß die neue
Stellung sehr schnell erreicht wird und kein Überschwingen zustandekommt, ist es
wichtig, über den ersten Teil des zurückzulegenden Weges, insbesondere die Hälfte,
die Impulsfolgefrequenz zu erhöhen bzw. die Zeitabstände der Anschaltung aufeinanderfolgender
Wicklungen an die Gleichstromquelle zu verringern und über den Rest des zurückzulegenden
Wegs die Impulsfolgefrequenz zu erniedrigen bzw. die Zeitabstände wieder ansteigen
zu lassen.
-
Dadurch wird zuerst eine stetige Beschleunigung des Antriebsteils
und dann eine stetige Abbremsung erzielt. Man kann diese Steuerung durch einen Rechner
bewirken lassen, der bei der Bestimmung der Änderung der Impulsfolgefreqcenz bzw.
der Zeitabstände d..e a1tgentlick'iche Positiv die anzusteuernde Position und das
zu transportierende Gewicht berücksichtigt.
-
Man kann zusätzlich auch noch Sensoren verwenden, die die jeweilige
Stellung des Antriebsteils sensieren, so daß die Anschaltung der neuen Wicklung
in jedem Fall zum richtigen Zeitpunkt stattfindet.
-
Man kann die Antriebseinrichtung durch die Impulse bzw.
-
die Stromversorgung nach Art eines kollektorlosen Gleichstrommotors
in eine bestimmte Stellung bringen, in der sie dann ohne weitere Ströme durch die
Permanentmagnete gehalten
wird. Es ist jedoch auch möglich, jede
Zwischenstellung anzusteuern, wenn man in der anzusteuernden Stellung den Phasen
der Wicklungen entsprechend bemessene Ströme zuführt und solange aufrechterhält,
wie die Position beibehalten werden soll.
-
Auf dem Antriebsteil ist vorzugsweise ein Raster von Permanentmagneten
aufgebracht und diese weisen vorzugsweise unterschiedliche Polarität auf.
-
Zur Erzielung einer großen Geschwindigkeit des Antriebsteils trägt
es bei, wenn man das Antriebsteil mit seinen Permanentmagneten zwischen zwei gleich
aufgebauten und einander zugewandten Statoren beweglich lagert und sich entsprechende
Wicklungen gemeinsam ansteuert, weil man bei diesem Aufbau auf ein Rückschlußblech
auf dem Antriebsteil verzichten kann.
-
Wird diese Anordnung in horizontalem Aufbau benutzt, so kann man -
durch Stromerhöhung, Luftspaltänderung, Windungszahlerhöhung usw. - die Anziehungskräfte
des oberen Stators auf a'as Lltriebsteil erhöhen, uni sc das Gewicht des Antriebsteils
wenigstens teilweise zu kompensieren; Es wird weiter vorgeschlagen, daß jede der
Antriebswicklungen einer der Bewegungsrichtungen zugeordnet ist und n-phasig (n
> 1) ausgebildet ist, daß jeweils n nebeneinanderliegende Zeilen min Polen von
je einer Teilwicklung umfaßt sind, wobei sich jeweils n benachbarte Teilwicklungen
überlappen, daß jeweils n nebeneinanderliegende Reihen von Polen in gleicher Weise
von Teilwicklungen umfaßt sind, daß Jeweils die um n-Pole gegeneinander versetzten
Teilwicklungen jeder Antriebswicklung eine Phase bilden und mit einer gesonderten
Ansteuereinrichtung verbunden sind
und zwar derart, daß innerhalb
jeder Phase benachbart liegende Teilwicklungen bei Ansteuerung Magnetpole unterschiedlicher
Polarität bilden und daß der wenigstens eine Magnet des beweglichen Antriebsteils
ein senkrecht zur Bewegungsrichtung polarisierter Permanentmagnet ist, des-2 sen
Polfläche jeweils n2 im Viereck angeordneten Polen gegenübersteht.
-
Vorzugsweise sind auf dem beweglichen Antriebsteil mehrere Permanentmagnete
vorgesehen, die in Reihen und/oder Zeilen angeordnet sind. Dabei sind benachbarte
Magnete einer Zeile oder Reihe um 2 n Pole einer Reihe oder Zeile des Grundkörpers
oder um ein Vielfaches davon gegeneinander versetzt und die Magnete einer Reihe
oder Zeile haben jeweils gleiche Polarität. Man kann zwischen den derart angeordneten
Zeilen oder Reihen weitere Zeilen und/oder Reihen von Permanentmagneten anordnen;
diese Permanentmagnete müssen gegenüber dem Permanentmagneten der zuerst beschriebenen
Zeilen und Reihe um je n Pole der Grundplatte oder ein Vielfaches davon versetzt
sein und diesen gegenüber entgegengesetzte Polarität aufweisen.
-
Die Permanentmagnete werden zur Vermeidung von Drehmomenten auf das
bewegliche Teil vorzugsweise symmetrisch auf dem beweglichen Teil angeordnet.
-
Das bewegliche Teil kann in der verschiedensten Weise gegenüber der
Grundplatte gelagert sein, z.B. mittels eines Luftlagers, durch wenigstens drei
Rollen, durch eine Aufhängung usw. Die Lagerung ist nicht Gegenstand der vorliegenden
Erfindung.
-
Der zu verstellende Körper kann sich außerhalb des beweglichen Antriebsteils
befinden oder in diesem Antriebsteil
integriert sein. Zum Beispiel
kann der Körper eine optische Markierungseinrichtung, beispielsweise ein Lichtpunkterzeuger,
sein, der gegenüber einer Landkarte (Fläche) bewegt wird und z.B. die Position darin
anzeigt. Der Körper kann z.B. aber auch der Schriftträger einer Fotosetzmaschine
sein, der jeweils so bewegt werden muß, daß jeweils das gewünschte von vielen auf
dem Schriftträger aufgebrachten Schriftsymbolen in den Strahlengang einer zentralen
Lichtquelle gebracht wird.
-
Wenn man die Teilwicklungen jeder Phase hintereinander schaltet und
dabei dafür sorgt, daß benachbart liegende Teilwicklungen jeweils entgegengesetzten
Wickelsinn haben, ist die Wicklung besonders leicht herstellbar.
-
Anhand der Zeichnung werden Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben.
Es zeigen Fig. 1 - eine Prinzipdarstellung eines Ausführungsbeispiels gemäß der
Erfindung, Fig. 2 - eine mögliche Ausbildungsform des feststehenden Teils, Fig.
3 - ein mögliches dazugehöriges, bewegliches Antriebsteil, Fig. 4 - einen Ausschnitt
einer Seitenansicht des Grundkörpers mit geschnittenem, beweglichem Antriebsteil,
Fig. 5 - eine Ausführungsform mit Doppelstator.
-
In Figur 1 der Zeichnung ist die perspektivisch dargestellte Grundplatte
mit 1 bezeichnet. Auf ihrer Oberfläche sind eine Vielzahl von Polen in Zeilen 3
und Reihen 4 angeordnet, was hier durch einige Linien angedeutet ist.
-
Den Polen gegenüberstehend ist ein bewegliches Teil 5 angeordnet,
das den zu bewegenden Körper 6 trägt. Die Lagerung dieses beweglichen Antriebsteils
ist durch Kugeln 7 an seinen Ecken angedeutet. Die Lage der Permanentmagnete auf
dem beweglichen Teil sind angedeutet; diese sind mit 8 bezeichnet.
-
Die mögliche Aufteilung der Oberfläche der Grundplatte in eine Vielzahl
von in Reihen und Zeilen angeordneten Polen 10 zeigt Figur 2. Im Zentrum ist die
Platte mit einer Öffnung 11 versehen. In das Zentrum dieser Öffnung 11 wird z.B.
das Symbol des Symbolträgers 6 einer Photosetzmaschine durch das bewegliche Teil
gebracht, das durch einen durch das Zentrum gehenden Lichtblitz abgebildet werden
soll. Jede der beiden Bewegungsrichtungen hat hier eine zweiphasige Antriebswicklung.
Die Phase 1 für die y-Richtung beginnt bei Klemme 12, endet bei der Klemme 12' und
besteht aus Teilwicklungen 13, 13', 13'' usw.
-
Diese Teilwicklungen sind hier als aus einer Windung bestehend dargestellt.
In der Praxis wird jede Teilwicklung aus zielen Windungen 3stehen. Di dic meilwi
k'ungen 3, 13" usw. gegenüber den Teilwicklungen 13', 13"' usw.
-
unterschiedlichen Wickelsinn haben, haben die von Ihnen umschlossenen
Pole bei Stromdurchfluß unterschiedliche Polarität.
-
Jeweils um einen Pol versetzt ist für die gleiche Bewegungsrichtung
die Phase 2 aufgewickelt. Sie beginnt bei Klemme 14a, endet bei Klemme 14b und weist
Teilwicklungen 14, 14' usw. auf. Auch hier haben bei Stromdurchfluss die Pole benachbarten
Teilwicklungen unterschiedliche Polarität.
-
Genau die gleiche Ausbildung haben die beiden bei Klemme 15 bzw. 16
beginnenden und bei Klemme 15' bzw. 16 endenden Phasen für die d.azu senkrechte
Antriebsrichtung (x-Richtung).
-
Das zu dem stationären Teil 1 der Figur 2 passende bewegliche Antriebsteil
5 - von der dem Teil 1 zugewandten Seite gesehen - zeigt Figur 3. Der in das Teil
integrierte Symbolträger ist wieder mit 6 bezeichnet. Auf der Trägerplatte sind
Permanentmagnete 21 in Reihen 22 und Zeilen 23 angeordnet. Die Permanentmagnete
jeder Reihe und jeder Zeile haben gleiche Polarität; alle Magnete sind senkrecht
zur Papierfläche magnetisiert. Die Magnete sind in ihren Abmessungen so gewählt,
daß ihre Polfläche etwa der von vier im Viereck angeordneten Polen 10 der Grundplatte
1 bestimmten Fläche entspricht.
-
Benachbarte Magnete jeder Zeile 23 und jeder Reihe 22 sind um 4 Pole
oder ein Vielfaches davon gegeneinander versetzt.
-
Dies läßt sich in einfacher Weise aus Figur 4 erkennen, die eine Seitenansicht
eines Ausschnitts der Platte 1 mit Polen 30a bis f sowie mit den Wicklungsköpfen
31 bis 34 der beiden Phasen der Antriebswicklung für eine Bewegungsrichtung zeigt.
Darüber ist geschnitten das bewegliche Antriebsteil 5, bestehend aus Trägerplatte
20 und Permanentmagneten 21a bis c dargestellt. Man erkennt, daß die Permanentmagnete
21a bis c eine der Breite zweier benachbarter Pole (z.B.
-
30a/30b) entsprechende Ausdehnung aufweisen. Außerdem ist erkenntlich,
daß die benachbarten Permanentmagnete einer Zeile, z.B. 21a und 21c um vier Pole
gegeneinander versetzt sind (21b gehört der nächsten Zeile an).
-
Die Wirkungsweise der Anordnung ist folgende:
In
der in Figur 4 für eine Bewegungsrichtung gezeigten Stellung von beweglichem Teil
5 und stationärem Teil 1 gegeneinander wird durch die Wirkung der Permanentmagnete
das bewegliche Teil in dieser Stellung gehalten; die gleiche Zuordnung gilt auch
für die um 900 gedrehte Aufsicht.
-
Wird nun die Phase 2 für die Bewegung in x-Richtung durch Einspeisen
eines Stroms bestimmter Polarität zwischen den Klemmen 16 und 16' angesteuert, so
werden die Pole 30b und 30c und alle von dieser Phase im gleichen Sinne umschlooenen
Pole (z.B. 30f), z.B. zu Nordpolen und die Pole 30d und 30e und alle von dieser
Phase in gleicher Weite umschlossenen Pole zu Südpolen. Stellen die offenen Pole
der Magnete 21a und c Nordpole und der offene Pol des Magneten 21b damit einen Südpol
dar, so werden die Magnete 21a und c nach links abgestoßen und gleichzeitig von
links angezogen und der Magnet 21b (Südpol) gleichzeitig von Pol 30b nach links
gezogen und von Pol 30d nach links abgestoßen. Dies gilt für alle von der Phase
2 in der einen oder anderen Richtung umfaßten Pole. Damit bewegt sich das tewegl
che Teil. F eir.en Pol nech 3inks Wä-e e.n un'gekehr ter Strom eingekoppelt worden,
so hätte sich eine Verschiebung um einen Schritt in die entgegengesetzte Richtung
ergeben. Wird nun anschließend die Phase 1 angesteuert (Klemmen 15, 15'), so bewegt
sich das bewegliche Teil 5 abhängig von der Stromrichtung wieder um einen Schritt
in die eine oder andere Richtung. Durch nacheinander erfolgendes Ansteuern der beiden
Phasen 1 und 2 lassen sich damit Bewegungen um beliebige Schrittzahlen erzielen.
-
Da durch entsprechendes Ansteuern der um 900 dazu senkrecht liegenden
Phasen der anderen Bewegungsrichtung eine Bewegung in der anderen Bewegungsrichtung
erzielt wird, kann man durch gleichzeitige Ansteuerung auch Schrägbewegungen
des
beweglichen Teils erreichen und dieses in jede gewünschte mögliche Stellung bringen.
-
In Figur 5 ist eine ähnliche Ansicht wie in Figur 4, jedoch mit Doppelstator
ausschnittsweise dargestellt. Der untere Stator 60 entspricht voll dem Stator der
Figur 4.
-
Symmetrisch dazu ist ein identisch aufgebauter Stator 61 mit entsprechenden
Wicklungen dargestellt. Zwischen diesen Statoren liegen die durch nichtmagnetisches
Material 65 verbundenen Magnete 62 - 64, die den Magneten 21a - 21c der Figur 4
entsprechen, d.h. der Magnet 63 ist nach hinten um eine Zeile versetzt angeordnet
und hat umgekehrte Polarität. Das ihn an sich in der Darstellung verdeckende Material
65 ist hier weggelassen. Der Steg 20 ist hier entfallen. Außerdem wirken hier entgegengesetzte
Anziehungskräfte auf das Antriebsteil und damit wird die Anziehung zwischen Antriebsteil
und Stator weitgehend kompensiert. Beide damit erzielten Vorteile erleichtern die
Lagerung und erhöhen die Verstellgeschwindigkeit.