CN112236851A - 用于运送至少一个晶片的运送装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于运送至少一个晶片(36)的运送装置(10),其具有至少一个输送本体(200),其中所述输送本体(200)至少设置用于承载或保持晶片(36),并且其中所述运送装置(10)设置用于在运送面(35)上至少二维地使得所述至少一个输送本体(200)运动。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于运送至少一个晶片的运送装置及一种用于运行该运送装置的方法。优选地,在此使用用于漂浮地输送和/或用于定位和/或取向(Orientieren)至少一个晶片的磁性悬浮(Levitation)。在此,这里所提出的解决方案可以优选地应用在半导体制造领域中。
背景技术
在半导体制造的范围内,通常必须输送或定位物体、如晶片。为此,传统上使用在固定的行驶轨或轨道上使得晶片运动的输送***。相应地确定的行驶轨或轨道通常仅允许也称为一维的运动,所述运动尤其具有如下缺点,即以确定的顺序运送晶片并且尤其是后方的晶片在前方的晶体之前的向前牵引(Vorziehen)通常是不可行的。
此外,为了在所谓的模块化组合工具(Cluster-Werkzeug)内进行晶片输送,已知使用布置在中央的操作装置,所述操作装置可以将晶片分别沿着径向方向(一维地)运送到所述模块化组合工具的在围绕所述操作装置的圆中布置的加工站。然而,在模块化组合工具内的晶片输送的这种迄今为止常见的方式在设计模块化组合工具时导致限制。
因此,期望提供如下一种运送装置,该运送装置特别是朝向加工站和/或在加工站内实现至少一个晶片的更灵活的运送。
发明内容
在此,根据权利要求1提出了一种用于运送至少一个晶片的运送装置,其具有至少一个输送本体,其中,所述输送本体至少设置用于承载或保持至少一个晶片,并且其中,所述运送装置设置用于使所述至少一个输送本体至少二维地在运送面上运动。
有利的设计方案是从属权利要求以及以下说明的主题。
晶片通常是指尤其在微电子、光伏和/或微***技术中使用的、例如圆形或正方形的、大约一毫米厚的盘片。这些晶片或盘片通常由单晶或多晶(半导体)坯料(即所谓的晶锭)制造,并且通常用作用于电子器件,尤其是用于集成电路(IC、“芯片”)、微机械器件和/或光电涂层的基板(底板)。
输送本体设置用于承载和/或保持至少一个晶片。在这种情况下,至少一个晶片可以(在上方)定位在输送本体上、定位在输送本体下方或者定位在输送本体旁边。此外,输送本体也可以设置用于承载和/或保持多个晶片的堆叠。在这种情况下特别优选的是,输送本体此外设置用于,使各个晶片从晶片的堆叠中运动出来并且必要时又运动到堆叠中。输送本体可以具有一个或多个托架(Gabel),所述托架分别设置用于保持或承载至少一个晶片或多个晶片的堆叠。替代地或附加地,输送本体可以具有堆栈(Ablage)(以板的形式),该堆栈如此设置,使得至少一个晶片或多个晶片的堆叠可以被放置在其上。在这种情况下,特别优选的是,堆栈具有如下固定元件,该固定元件设置用于(在输送期间)(可松开地)固定放置在堆栈上的一个或多个晶片。
运送装置设置用于使至少一个输送本体在运送面上至少二维(或者必要时甚至三维)地运动。在这种情况下特别优选的是,运送装置设置用于使至少一个输送本体沿着至少二维的或甚至三维的运送路径(在运送面上)运动。二维运动在此尤其特征在于,这种运动在一个平面中进行。此外(也如在下面进一步讨论的那样)有利的是,输送本体能以六个自由度运动。
这里提出的解决方案尤其能够实现用于半导体制造的特别有利的输送***,其中一个或多个晶片能够自由地在运送面上或在平面中运送。这种在此也称为二维的运动以有利的方式实现至少一个晶片的更灵活的运送,尤其是朝加工站和/或在加工站内的更灵活的运送。这也允许了另外的优点,即可以更好地设计半导体制造设备、尤其是所谓的模块化组合工具。
根据一种有利的设计方案提出,运送装置设置用于以受控制的方式漂浮地运送至少一个输送本体。换句话说,这尤其是涉及输送本体的非接触的或非触碰的运送。在这种情况下,特别优选的是,运送装置以磁性输送***的方式形成,或者漂浮的运送以磁性方式实现。漂浮的运送尤其是在净化室的情况下是有利的,如其也在半导体制造中使用的那样,因为由此可以进一步降低净化室可能被污染的风险。在此,当运送应在真空条件下进行时,磁性的实现方案尤其是特别有利的。尤其在这种真空条件之外例如也可以使用压缩空气***,它们例如在输送本体下方提供气垫。
根据一种特别有利的设计方案,运送装置还具有定子(Stator),其中,运送装置设置用于以受控制的方式相对于定子运送至少一个输送本体。在此,所述定子可以具有多个能够运动地布置的调节磁体(Stellmagnet),其中所述调节磁体中的每个调节磁体通过调节元件与所述定子相连接,其中所述调节元件设置用于以受控制的方式改变与其相连接的调节磁体的相对于所述定子的位置和/或取向;所述至少一个输送本体具有至少两个固定磁体(Stationärmagnet),所述固定磁体与所述输送本体如此连接,使得所述至少两个固定磁体不能够相对于所述输送本体运动;所述定子和所述至少一个输送本体借助于所述至少两个固定磁体和所述多个调节磁体磁性地耦接;并且所述运送装置设置用于,通过借助于所述调节元件使所述多个调节磁体受控制地定位和/或取向来相对于所述定子运送所述至少一个输送本体。替代地,所述至少一个输送本体在此可以具有多个能够运动地布置的调节磁体,其中所述调节磁体中的每个调节磁体通过调节元件与输送本体连接,其中,调节元件设置用于以受控制的方式改变与其连接的调节磁体相对于输送本体的位置和/或取向;所述定子具有至少两个固定磁体,所述至少两个固定磁体与所述定子如此连接,使得所述至少两个固定磁体不能够相对于所述定子运动;所述至少一个输送本体和所述定子借助于所述至少两个固定磁体和所述多个调节磁体磁性地耦接;并且所述运送装置设置用于,通过借助于所述调节元件使得所述多个调节磁体受控制地定位和/或取向来相对于所述定子运送所述至少一个输送本体。
在这种情况下,特别是为了提供漂浮的输送,提出一种具有定子的运送装置,以用于受控制地相对于定子运送输送本体。在此,以有利的方式实现输送本体相对于定子的受控制的运送,其方式是,两个元件中的一个具有多个至少部分能够运动地布置的调节磁体,所述调节磁体的相对于该元件的相应的位置和/或取向可以通过调节元件以受控制的方式预先给定,并且两个元件中的另一个具有至少两个不能够运动地与该元件连接的固定磁体,其中,固定磁体与调节磁体磁性地耦接。运送装置设置用于通过调节磁体的受控制的定位和/或取向将输送本体相对于定子运送。在此,所述运送尤其包括:将至少一个输送本体相对于定子置于期望的位置和/或取向中。
这尤其能够实现输送本体相对于定子在六个自由度中、即在三个平移的和三个旋转的自由度中的完全的磁悬浮。这具有的优点是,输送本体的运送可以比在传统***中更灵活地进行。
此外,这提供了如下优点,即输送本体相对于定子的悬浮和/或向前运动可以通过调节磁体的相应的定位和/或取向借助于相应的调节元件来实现。由此可以放弃提供复杂的布置和操控磁线圈。这不仅降低了运送装置的复杂性并因此降低制造成本,而且也允许使用永磁体,所述永磁体通常可以提供比可用于这种目的的磁线圈大得多的通量密度。这又能够实现定子和输送本体之间的较大的提升高度或较大的气隙,由此能够在沿Z方向和/或在俯仰角范围和侧倾角范围中运动时得到较大的运动间隙。此外,这提供了如下优点,即,中断电能供应也不一定导致功能故障或甚至导致损坏。尤其地,功率供应的中断不会导致定子和输送本体之间的磁场或磁耦接的损耗。例如,在功率供应中断的情况下,一旦调节磁体的位置和/或取向屈服于固定磁体的吸引力作用,则调节磁体与固定磁体之间的耦接力可增大,接着输送本体被拉到定子上并且因此被防止不受控制地掉落。此外,这种有利的设计方案提供的优点是,在定子和输送本体之间的磁耦接不仅可以引起输送本体的悬浮,即在定子上方的提升,而且可以引起输送本体相对于定子的前进运动,即运送,而不必为此还强制性地需要另外的触碰的或非触碰的***。由此可以实现非触碰的输送,从而运送装置也可以在具有提高的清洁度要求的环境中(例如在半导体制造中的上述净化室)使用。例如,输送本体可以在提高的清洁度要求的环境中予以运送,而定子则布置在具有降低的清洁度要求的环境之外。分离元件可以例如延伸通过定子和输送本体之间的气隙,以便分离不同的清洁度区域。因此,运送装置也适合于应用在化学方法中,例如应用在半导体制造的化学领域中,以及例如应用在气密的、液密的和/或封装的区域中。
此外,可以实现的优点是,既不必在输送本体中也不必在定子中强制性地提供磁线圈,从而可以避免输送本体和/或定子由于在这种线圈中出现的电流而变热。这便于运送装置在热临界的环境中使用或用于运送热敏感的物体并且改善运送装置的能量效率,因为可以减少电能的耗散。
通过借助于磁耦接实现的有利的悬浮或运送也可以以有效的方式实现输送本体或运送装置与震动和/或振动和/或固体声波的脱耦,由此运送装置也可以在运送敏感的物体、像比如半导体产品时以特别有利的方式加以使用。
优选地,运送装置具有多个调节磁体和/或多个固定磁体。特别优选地,调节磁体和/或固定磁体经由运送面布置在定子中或定子上或者布置在输送本体中或输送本体上,使得输送本体能够沿着运送面悬浮和/或运送。以这种方式可以产生较大的区域,在该区域中可以运送输送本体。特别优选地,调节磁体总共具有一定数量的自由度,所述自由度至少与输送本体的自由度的数量一样大,输送本体应该在所述自由度中受控制地运送或定位。如果例如要在六个自由度中运送和/或定位所述输送本体,则有利的是,提供多个调节磁体,所述调节磁体总共具有六个或更多个自由度。例如,为此调节磁体可被如此设置,使得在每个时间点输送本体与至少六个调节磁体相互作用。
优选地,调节磁体的磁场和/或至少两个固定磁体的磁场面向运送面,也就是说,磁极面向运送面。在此,运送面是指这样的面,沿着该面以受控制的方式相对于定子运送输送本体。尤其地,运送面可以与定子平面和/或定子的作用面重合。特别优选地,运送面位于(输送)平面中。此外,运送面然而也可以弯曲地和/或以至少一个折弯部或不连续地延伸。例如,位于定子和从定子悬浮的输送本体之间的面可以形成运送面。这种布置提供的优点是,在调节磁体和固定磁体之间的磁耦接可被增大或优化。优选地,调节磁体和固定磁体的磁极彼此面对或如此布置,使得其磁场具有重叠和/或相互作用。优选地,在此使在背离运送面的方向上的磁场最小化。
根据一种有利的设计方案提出,运送装置设置用于沿着不同的运送路径(相对于定子以受控制的方式)在运送面上运送至少两个输送本体,特别是使得一个输送本体可以超过另一个输送本体。在这种情况下,也可以形成等待区,特别是使得一个等待的输送本体可以让另一个输送本体经过。此外可以规定,超过的输送本体与其它输送本体保持(预先定义的)最小间距。在这种情况下,最小间距尤其是被如此预先定义,使得超过的输送本体不影响另一输送本体的磁漂浮。
根据另一种有利的设计方案提出,运送装置设置用于沿着至少双轨式的运送路径(以受控制的方式相对于定子)在运送面上运送至少两个输送本体。由此能够以有利的方式实现在运送面上的多轨式的输送路径,由此能够有利地提高生产能力。
根据另一种有利的设计方案提出,运送装置设置用于将至少一个输送本体(以受控制的方式相对于定子)朝向(晶片)加工站运送和/或在加工站中定位和/或定向(取向)借助于输送本体输送的晶片。加工站可以是例如化学加工站、光刻加工站或检查站,在该检查站中可以例如借助于显微镜来检查晶片。
替代地或附加地,运送装置可以设置用于将至少一个输送本体(以受控制的方式相对于定子)朝向用于晶片的存放装置或存储器运送和/或将借助于输送本体输送的晶片在用于晶片的存放装置或存储器中定位和/或定向(取向)。优选地,运送装置设置用于将至少一个输送本体从用于晶片的存放装置或存储器运送到加工站和/或在加工站中运送。
此外优选地,运送装置设置用于,将至少一个输送本体(以受控制的方式相对于定子)运送穿过(晶片)加工站。此外,运送装置可以设置用于将至少一个输送本体(以受控制的方式相对于定子)沿着(晶片)加工站如此运送,使得借助于输送本体输送的晶片被运送穿过(晶片)加工站。此外,运送装置可以设置用于,在输送通过加工站期间在加工站中定位和/或定向(取向)借助于输送本体输送的晶片。
在加工站中例如可以调整出具有提高的清洁度要求的环境(净化室)和/或真空。在这种情况下特别优选的是,为了将晶片送入到加工站中,输送本体的仅仅一部分、例如保持件或夹具或输送本体的钳子伸入到加工站中。在此,输送本体的该部分例如能够贯穿布置在加工站之前的闸门。
晶片在加工站中的定向(晶片的方位)例如可以通过输送本体相对于运送面的倾斜和/或通过输送本体围绕其竖直轴线的旋转来进行。晶片在加工站中的定位(晶片的方位)例如也可以通过沿着运送面的(二维的)运动和/或输送本体围绕其竖直轴线的旋转来进行。此外,输送本体相对于运送面的倾斜在沿运送面运送期间也是有利的,因为由此必要时可以实现增加的运送速度。例如,通过(有针对性地)倾斜输送本体,可以避免晶片在输送本体加速期间掉落。
优选地,至少两个固定磁体和/或调节磁体分别具有至少一个永磁体。这具有的优点是,在定子和/或在输送本体中可以减少或甚至完全避免磁线圈的使用,并且因此可以降低运送装置的能耗。此外,借助于永磁体可以产生与磁线圈相比非常强的磁场,此外可以在小的空间上提供该磁场。在使用永磁体来提供磁场时也不需要为磁体供应电功率,如这例如在使用磁线圈时就是这种情况。此外,永磁体不耗散电功率,进而不会对运送装置造成不期望的加热。特别优选地,固定磁体和/或调节磁体仅仅具有一个或多个永磁体,而无需附加地具有磁线圈。以这种方式,例如可以避免,必须使输送本体与在前进运动时阻碍的用于电能的馈电线路接触。
优选地,永磁体(在表面的一点处)提供至少0.05T,优选地至少0.1T,进一步优选地至少0.25T,甚至进一步优选地至少0.5T,特别优选地至少0.75T,最优选地至少1T的磁通量密度。尤其可以如此选择永磁体,从而通过所选择的通量密度来获得用于输送和/或定位输送本体所需的力和力矩。具有较大的通量密度的永磁体例如可以用于产生较大的提升和/或产生较高的加速度和/或利用输送本体来运送较重的负载。
优选地,调节磁体具有如下一个磁体组,该磁体组优选具有多个永磁体和/或磁线圈。优选地,固定磁体也形成至少一个磁体组,其中磁体组优选具有多个永磁体和/或磁线圈。尤其对于磁体组的多个磁体沿着一条直线布置的情况而言,能够有利的是,磁体如此布置,使得多个磁体如此取向或布置,使得其磁偶极子不平行地定向或不指向相同的方向,尤其不是全部都平行于直线定向。偶极子的非平行布置在此对于输送本体在所有六个自由度上的受控制的运送或运动是有利的。
特别优选的是,至少一个磁体组的多个永磁体和/或磁线圈至少部分地根据海尔贝克阵列来布置。这提供了如下优点,即,由多个磁体产生的磁场在远离海尔贝克阵列的一个方向上增强,而在远离海尔贝克阵列的另一方向上减小或甚至完全消除。这例如可以是有利的,因为可以增强在定子和输送本体之间的一个方向上的磁场,而在其他方向上的磁场减小或甚至完全消除。因此,磁场能够以特别有效的方式用于悬浮和/或具有海尔贝克阵列的磁体彼此邻接地、尤其在狭窄的空间上布置,而不相互负面地影响。优选地,海尔贝克阵列如此布置,使得磁体组的磁场优选地朝向运送面或作用面延伸。特别是可以通过作为海尔贝克阵列的布置在耦接力和耦接力矩相同的情况下减小磁体的总重量和/或惯性矩。是磁体的面状的布置最优选的,这种布置在不同的空间方向上形成海尔贝克阵列,以便在所有自由度上传递高的力和力矩。
优选地,调节元件具有如下驱动元件,该驱动元件设置用于以受控制的方式改变与其相连接的调节磁体的位置和/或取向。例如,这样的驱动元件可以具有电动机,该电动机直接或通过传动机构和/或连杆与调节磁体连接,以便使其运动。此外,驱动元件可以如此设置,使得多个调节磁体可由此运动。这种布置的优点在于,与调节元件连接的调节磁体可以单独地在其位置或取向方面改变。例如,调节元件可以如此设置,从而该调节元件可以使一个或多个调节磁体围绕调节磁体的轴线和/或重心旋转。此外,驱动元件可以如此设置,使得由此可使所述至少一个调节磁体的多于一个自由度运动。进一步优选地,调节元件具有如下传感器元件,该传感器元件设置用于测定与调节元件连接的调节磁体的位置和/或取向。这使得能够调控调节磁体的取向和/或位置并且以有效和高效的方式借助于调节磁体引起所期望的效果。进一步优选地,调节元件具有如下控制元件,该控制元件设置用于,借助于驱动装置将与调节元件连接的调节磁体的位置和/或取向调整到预先确定的值。例如,控制元件可以具有如下控制和/或调控单元,借助于该控制和/或调控单元通过驱动元件来控制和/或调控调节磁体的运动。以这种方式,对于所述调节磁体的定位或者说取向能够特别快速和/或精确地进行。
此外,运送装置也可以具有位置确定单元,该位置确定单元设置用于测定至少一个输送本体相对于定子的相对位置和/或取向。例如,位置确定单元可以具有光学传感器和/或电容传感器和/或磁场传感器,像比如霍尔传感器,它们基于由输送本体引起的磁场至少部分地测定输送本体相对于定子的位置和/或取向。
根据另一方面,也提出一种用于运行这里提出的运送装置的方法,其中,所述至少一个输送本体自由地在运送面上朝向期望的位置和/或取向运动。
结合运送装置讨论的细节、特征和有利的设计方案也可以相应地在这里提出的方法中出现,并且反之亦然。就这方面而言,完全参照那里的用于进一步表征特征的实施方案。
本发明的其它优点和设计方案由说明书和附图得出。
不言而喻,前面所提到的和后面的还有待解释的特征不仅能够在相应所说明的组合中使用,而且也能够在其它的组合中或者单独地使用,而不脱离本发明。
本发明借助于附图中的实施例示意性示出并且在下面参照附图详细描述,然而不限于所示的实施例。
相同或类似的元件在此设有相同的附图标记。相应的解释在简洁的意义上不再重复。
附图说明
图1以俯视图示意性地示出了根据一种优选的实施方式的运送装置。
图2A至图2E以示意图示出根据优选的实施方式的运送装置。
图3A和图3B示出了根据一种优选的实施方式的输送本体。
图4A至图4M以示意俯视图示出了固定磁体或磁体组的不同布置。
图5A至图5C示出输送本体的优选的实施方式。
图6示出了根据优选的实施方式的具有附加功能的输送本体。
图7A至图7D以示意图示出根据优选的实施方式的定子。
图8A至图8E示出了磁体组或调节磁体的示例性的布置。
图9A至图9H示出了调节磁体和磁体组和优选的布置的优选的实施方式。
图10A和图10B以示意图示出调节元件的优选的实施方式。
图10C以方框图示出了调节元件的示例性的功能原理。
图11示出了位置确定单元的一种优选的实施方式。
图12示出了示例性的控制图。
图13A至图13C示出了运送装置的优选的实施方式。
图14示出了运送装置的优选的实施方式。
图15示出了示例性的方法流程图。
具体实施方式
图1以俯视图示意性地示出了根据一种优选的实施方式的运送装置10。运送装置10用于运送至少一个晶片36。在此,运送装置10示例性地具有两个输送本体200。每个输送本体200设置用于承载和/或保持至少一个晶片36,在此示例性地通过以夹具的方式形成输送本体200的部分。此外,运送装置10设置用于使输送本体200二维地在运送面35上运动。
输送本体200能够基本上自由地在运送面35上运动并且在此将晶片36带至加工站37并且将所述晶片必要时甚至保持在加工站37中或者甚至将所示晶片定位和/或定向在其中。尽管如此,在此为了能够确保加工站37的内部空间与环境尽可能好地分离,例如可以设置缝隙阀39,至少保持一个或多个晶片36的输送本体200的部分(在阀打开时)可以穿过该缝隙阀。
图2A以具有所属的坐标系900和920的示意图示出根据一种优选的实施方式的运送装置10。所示的运送装置10布置在一个机器工作台12上并且具有一个定子100和一个输送本体200。在定子100和输送本体200之间示意性地示出了悬浮场14,该悬浮场14在这种情况下是有源地(aktiv)调控的磁场。所述悬浮场14通过调节磁体和固定磁体(未示出)在所述定子100的作用面102上产生,所述作用面构造在所述定子100中或者说构造在所述输送本体200中。悬浮场14位于定子100和输送本体200之间,其中输送本体200在悬浮场14中漂浮。虚线示意性地示出了可选地可安装的气密密封部16,其使得可以利用气密密封部16之外的定子100在气密密封部16之内运送输送本体200。此外,示意性地示出了接头18,借助于所述接头能够为运送装置10供应电能并且经由所述接头能够输入和/或输出通信数据。
在此,输送本体相对于定子的位置和取向可以在定子坐标系900中示出,该定子坐标系通过x方向902、y方向904和z方向906形成。输送本体具有自己的输送本体坐标系920,其由x1方向922、y1方向924和z1方向926形成,并且具有侧倾角932、俯仰角934和横摆角936。
在此,优选如此调控运送装置10,使得输送本体200稳定地悬浮并且关于平移和旋转在预先给定的目标曲线上被引导。
图2A示出了在工作台运行中的运送装置10,也即,布置或平放在一个平面中,从而输送本体200通过地心引力940在定子100的方向上加速,而图2B示出了在壁运行中的运送装置10,其中,重力使输送本体基本上平行于运送面加速。在此,如此调整定子100与输送本体200之间的磁耦接,使得用于补偿重力的力同样平行于运送面作用。在此,悬浮场14防止输送本体200滑脱和/或脱落。只要调节磁体和固定磁体(未示出)具有永磁体,则在中断电功率的输入时必要时也可以防止滑脱和/或脱落。这同样适用于在天花板运行中的运送装置10,该运送装置在图2C中示意性地示出。
图2D以示意图示出了具有三个输送本体200的运送装置10,该输送本体通过三个彼此邻接地布置的定子100或定子模块来输送,其中,定子模块形成平坦的作用面102。此外,在图2D中示出了输送本体200在z方向906上以不同的提升高度或以不同的间距进行定位。
图2E以示意图示出了根据另一种优选的实施方式的运送装置10,其中输送本体200由两个单独的定子100运送或定位或取向,其中每个定子仅耦接到输送本体中的磁体组件(Magnetanordnung)的部分区域上。以这种方式,输送本体200可以以横摆角936旋转和/或以侧倾角932倾翻和/或以俯仰角934倾斜。
图3A以示意图示出了根据优选的实施方式的输送本体200在X1/Z1平面中的截面图,其中,输送本体200具有由固定磁体22构成的磁体组24。图3B示出图3A中的输送本体的俯视图。输送本体200还具有上部的盖元件202和下部的盖元件204,它们在上方或下方邻接磁体组24地布置。在所示的实施方式中,在上方或下方标出沿着z1方向926的不同位置。在输送本体200的沿x1方向922和y1方向924的侧面上,与磁体组24邻接地构造有滚边元件206。
输送本体200在此能够一方面用作输送物品20、例如用于保持晶片36的保持件和另一方面定子100之间的机械连接件。优选地,输送本体200被构造为机械刚性元件,并且设置用于在上部的盖元件202的上侧上支撑或输送所述输送物品20。优选地,输送物品20可以固定在输送本体200上并且随后与输送本体200一起在定子100上方的目标曲线上被引导和/或稳定地保持在目标位置上。根据所示的实施方式,输送本体200是电无源的,也就是说,为了实施其功能,输送本体不需要电能或接头并且尤其不具有调节磁体。
根据所示的实施方式,输送本体200包括多个在X1/Y1平面中的呈面状布置的固定磁体22,其作为磁体组24以几何布置来布置,其中固定磁体22相对于输送本体200的几何布置是固定的,并且因此固定磁体22相对于输送本体200不运动。例如,上部的盖元件202和/或下部的盖元件204和/或滚边元件206可以设置用于将固定磁体22至少部分地固定在其位置或其几何布置中。替代地或附加地,输送本体200可以具有一个或多个另外的构件,以便固定所述固定磁体22。固定磁体22优选包括永磁体和/或被构造为永磁体。特别优选地,固定磁体22具有由稀土合金制成的永磁体。
磁体或固定磁体22的位置在此优选理解为其重心的位置。相应的固定磁体的磁化方向通过偶极矢量来描述,该偶极矢量象征性地作为相应的箭头示出。因此,在图3A中可看出,根据所示实施方式,每个固定磁体22在其磁化方向方面与相应相邻布置的固定磁体22不同地布置或定向。它们在所示情况下形成海尔贝克阵列,该海尔贝克阵列在Z1方向上的磁场特别强,而在相反方向上则减弱。优选地,使用基本上均匀磁化的磁体作为固定磁体22,使得相应的固定磁体22的各个子体积的偶极矢量近似指向与固定磁体22的总偶极矢量相同的方向。偶极矢量指向箭头尖端的方向。
固定磁体22在输送本体200中的布置优选地如此与调节磁体26 (例如参见图8)在定子100中的布置协调或匹配,使得在输送本体200的工作区域中在相应的定子100上用于输送所需的力和力矩可以从定子100传递到输送本体200上和/或始终可以独立地控制输送本体200的所有期望的自由度。
图4A至图4M以示意俯视图示出固定磁体22的不同布置,所述固定磁体形成磁体组24。在这些附图中,箭头也表示相应的固定磁体22的磁化方向,其中设有点或X的固定磁体22具有如下磁化方向,该磁化方向在z1方向926上从图平面中延伸出来或者延伸进入到图平面中。
图4A至图4G示出了在规则的矩形的网格中的固定磁体22的布置。优选地,输送本体200具有至少两个固定磁体22 (参见图4A),所述固定磁体直线地布置在一条直线上,其中,所述固定磁体中的至少一个的偶极矩(Dipolmoment)不平行于该直线取向。这对于能够在所有六个自由度中控制输送本体200或受控制地使得输送本体200运动而言是特别有利的。优选地,输送本体200分别具有至少三个固定磁体22 (参见图4B至图3G),这些固定磁***于空间平面中,例如在x1-y1平面中,和/或形成复杂的三维空间布置。
固定磁体22全部布置在一个布置平面中的布置特别适合于如下应用,在这些应用中,主要平行于布置平面实施平移运动和/或围绕定子100的z轴线或相应的输送本体200的z1轴线实施旋转。
磁体组24优选具有如下固定磁体22,所述固定磁体布置为至少一个海尔贝克阵列。一个或多个海尔贝克阵列优选如此取向或布置,使得磁场或磁场强度在定子100的方向上提高和/或在输送物品20的方向上和/或在可能的相邻的、必要时在相同的定子100上被运送的输送本体200的方向上降低。固定磁体22的尤其形成海尔贝克阵列的示例性布置在图4D、图4F和图4G中示出。长度λ在此表示海尔贝克周期的长度,即海尔贝克阵列的周期。
图4H至图4K示出了磁体组24,其中固定磁体22沿着六边形的网格布置。在此,根据图4I和图4K的布置基于海尔贝克阵列的2维布置。图4L和图4M示出了磁体组24,其中固定磁体22沿着圆形的网格布置。尤其地,图4L示出了固定磁体22以5个海尔贝克阵列或海尔贝克周期分别布置在72°的角范围内的布置。固定磁体22在此以18°的角间距等距地布置。除了图4L中所示的布置之外,图4M中的布置还具有五个径向布置的海尔贝克阵列,它们在圆形布置的中心或中央共享一个共同的固定磁体22。这种布置可以有利地与具有正方形的网格的定子磁体组件组合。这种布置尤其可以是有利的,以便避免调节磁体和固定磁体相对彼此的布置方面的奇点。
图5A至图5C示出了具有磁体组24的、输送本体200的优选的实施方式,其中,固定磁体22以三维布置来布置。为了便于图示,未示出下部的遮盖层204和上部的遮盖层202。图5A在此示出固定磁体22的部分圆柱形的布置,其例如在围绕y1轴线旋转时可以提供更大的枢转范围。图5B示出固定磁体22的球节段形的布置,其不仅在围绕x1轴线旋转时而且在围绕y1轴线旋转时可以提供更大的枢转范围。这两种布置不必在围绕z1轴线的可旋转性或可枢转性方面受到限制。
固定磁体22在弯曲的平面上的布置可以在输送本体200的至少一个方向上提供增大的枢转角范围。例如,圆柱形的输送本体200 (其弯曲的周面作为作用面悬浮在定子100上)必要时可以执行围绕其圆柱轴线的连续旋转。此外,围绕定子100的z轴线连续旋转是可行的。
通过在两个空间方向上弯曲的面,例如可以扩展在输送本体200的两个空间方向上的枢转角范围。例如,必要时配备有固定磁体22的球形的输送本体200可以在所有空间方向上实施连续旋转。
输送本体200也可以被实施为圆柱节段或球节段,例如在图5A和图5B中所示,其具有配备有磁体的弯曲侧和构造用于容纳输送物品的平面侧。这些布置例如可以提供如下可能性,即,实现具有大的枢转角范围(例如90度)的测角仪台,该测角仪台可以附加地实施围绕z1轴线的旋转并且优选实施在所有空间方向上的平移。该布置例如可以有利地用于诸如激光加工的加工过程中或者用于诸如工业图像处理的检测过程中,因为例如用作输送物品20的工件可以在宽的区域中自由地定位和/或取向在加工工具下方或者在检测机构下方。此外,工件可以可选地被快速地输送到工艺位置和从工艺位置输送出来,从而可以最小化不能使用该工艺的、通常经济上低效的工件更换时间。
图5C示出了根据另一种优选的实施方式的输送本体200,其中固定磁体22以成角度的布置来布置。尤其地,所示的输送本体200具有如下固定磁体22,所述固定磁体沿着第一边沿水平地延伸到X1/Y1平面中并且沿着第二边沿延伸到X1/Z1平面中。以这种方式,输送本体200可以提供有两个作用面,如所示出的那样,例如提供有水平的和垂直的作用面,以便例如在不同的时间点或者同时由不同布置的定子100、例如由水平布置的和垂直布置的定子100悬浮或运送。这种布置例如可以用在如下输送本体200中,该输送本体在连续的更换中在不同取向的作用面上运行。例如,输送本体200可以具有两个以90°角布置的作用面。如果在两个定子的布置上运行该输送本体,这两个定子同样彼此成90°的角度布置,其中一个定子100水平地运行,而另一定子100垂直地运行,那么例如可以在不强制中断的情况下从地面运行切换到壁运行中。
输送本体200的结构构件或壳体或支架(其例如将输送本体200的各个部件,像比如固定磁体22保持在一起)优选地由非铁磁材料制成,例如由塑料和/或陶瓷和/或非铁金属制成。可选地,其具有未配备有磁体的滚边元件206,该滚边元件例如用作与其他输送本体200的间隔保持件,从而优选地在两个彼此触碰的输送本体200之间限定相互的接触力,并且优选地即使在其触碰时也不妨碍两个输送本体200的自由的可定位性。
输送本体200可在面向定子100的侧面上设有下部的盖元件204,该下部的盖元件例如具有遮盖层,该遮盖层优选地用作与输送本体200周围的可能物体的间隔保持件,并且优选地能够可靠地限定间距,并且因此能够可靠地限定固定磁体22的最大作用力。由此例如可以实现在操作输送本体200时的受伤危险的降低,像比如在不正确地接近铁磁物体时手指被挤压的危险。此外优选地,可以实现用于定子100中的驱动装置或者调节磁体的过载限制,因为优选地可以限制输送本体200施加到定子100中的调节磁体上的力和力矩。此外优选地,因为保持力较低,所以可以实现更好的净化与输送本体200附着的铁磁颗粒。在此,将附加功能可选地集成到下部的盖元件中,像比如集成到用于感应式能量传递的线圈或者用于识别输送本体200的数据载体中,也可以是有利的。
多个输送本体200可以被机械地和/或控制技术地耦接,以便例如共同地实施功能。例如,无源的机械的杆运动机构(其杆无源地由单独的输送本体200驱动和定位)可以实施操作任务。在另一个示例中,多个输送本体200可以通过优选地同步地使所述输送本体运动或运送所述输送本体而共同输送例如对于单个输送本体200而言过重的负载。
根据另一种优选的实施方式,输送本体200也可具有内部自由度并且例如可由相对于彼此能够运动的多个构件组成,使得该输送本体优选地具有总共多于六个自由度。通过在多个构件中提供固定磁体22,优选可以有源地操控输送本体200的多于六个自由度。如图6所示,例如可旋转地支承在输送本体200中的盘片208可以单独地旋转,以便例如在输送本体200上实施附加功能,像比如用于输送物品20的抓握或夹持功能。
此外,根据一种优选的实施方式的输送本体200可以配备有用于其它附加功能的功能组。例如可以进行机械的能量传递,其方式是,在输送本体200中的优选可旋转地支承的并且配备有磁体的盘片由定子100有源地驱动。为了进行驱动,盘片被定子100例如作为第七自由度进行处理。也可以可选地实现非触碰的电能传递,其方式例如为,在定子100和输送本体200中分别集成用于感应式能量传递的线圈。替代地或附加地,例如定子100中的永久旋转的磁体可以在输送本体200内的线圈中感应出交流电压,该交流电压优选可以在输送本体200上用于供电。在输送本体200向前运动时,激励附加功能的任务持续地传递到定子100的其他的磁体组24或调节磁体上,所述磁体组或调节磁体例如位于感应线圈的作用区域中。例如,也可以例如使用感应和/或光学发射器和接收器来实现定子100和输送本体200之间的非触碰的数据传递。此外可选地,可以规定对输送本体200进行定位和/或识别。例如,定子100中的基于照相机的光学传感器可以读取安装在输送本体200的面向定子100的侧面上的位置或识别码。例如,输送本体200的至少一部分可以配备有识别元件,像比如条形码,借助于该识别元件运送装置10或定子100可以识别相应的输送本体200。
图7A和图7B以透视图(图7A)和横截面图(图7B)示出了根据优选的实施方式的定子100的示意图。定子100在此具有多个调节磁体26,所述调节磁体分别又具有一个磁体组24。调节磁体26至少部分地被定子壳体的结构构件112包围。在此,根据所示的优选的实施方式,磁体组24布置在定子100的如下面或侧面上,该面或侧面在所示情况下是定子100的上侧。尽管在图7A所示的图示中的磁体组24都相同地定向,也就是说,由属于磁体组24的磁体的各个偶极矢量得出的、所述磁体组的总的或有效的偶极矢量平行地布置,但是要指出的是,磁体组24如此能够运动地构造或布置,使得所述磁体组至少在其布置平面中可以相对于定子壳体旋转。尽管在图7B的横截面图中仅示出了磁体组24中的每个磁体组中的三个磁体,但是磁体组24可以具有少于或多于三个磁体,这些磁体可以布置成一维、二维或三维布置。
调节磁体26或磁体组24与调节元件114连接,借助于所述调节元件可改变所述调节磁体或磁体组的位置和/或取向。在此,调节元件114例如具有至少一个驱动装置、像比如电动机,所述驱动装置优选经由驱动轴和/或传动机构和/或连杆与磁体组24连接。
用于引导至少一个输送本体200所需的磁场通过磁体组24或调节磁体26在定子100中的受控制的、例如受调控的运动产生。由磁体组24产生的磁场至少部分地从定子100的作用面102中发出,并且将力和/或力矩施加到输送本体200中的固定磁体22上。在输送本体200中的力和/或力矩的方向和强度通过调节磁体26或磁体组24在定子100中的方位或取向来影响。调节磁体26或磁体组24在定子100中的方位在此优选地如此调控,使得输送本体200漂浮并且相应于预先给定的目标曲线在所有六个维度上被引导或者以预先给定的目标取向稳定地保持在预先给定的目标位置处。
如图7B所示,定子100具有能够运动的调节磁体26的布置。调节元件114可以根据目标预设值来改变磁体组24或调节磁体26的取向和/或位置。输送本***置确定元件116设置用于确定所有在定子100上运送的输送本体200或所有输送本体在相应的定子100的影响区域中的实际位置。例如,输送本***置确定元件116可以具有传感器层和/或带有传感器的电路板。控制元件122优选能够分析由输送本***置确定元件116提供的传感器信号并且例如将这些传感器信号提供给上级设备。调节元件114例如可以通过电路板120进行接触。
此外,根据所示的优选的实施方式的定子100具有磁***置确定元件118,借助于该磁***置确定元件可以测定磁体组24或调节磁体26的实际存在的位置和/或取向。例如,磁***置确定元件118可以具有传感器层。
磁体组24在定子100中的布置优选是平面的,也就是说,优选所有磁体组24布置在一个平面中。
图7C和图7D示出了根据另一种优选的实施方式的定子100,其类似于图7A和图7B所示的实施方式,并且附加地具有遮盖部112A和可选的线圈层128。遮盖部112a优选地由非铁磁材料制成。从磁体组24出发的磁场向外穿过遮盖部112a,该遮盖部例如至少部分地由塑料和/或非磁性金属和/或陶瓷和/或玻璃制成。遮盖部112a可以例如相对于输送本体200的工作空间遮蔽定子100的内部,并且因此防止颗粒侵入和/或排出。此外,所述遮盖部112a可以用于将所述定子100中的调节磁体26的最大的作用力可靠地限制到所述定子100之外的物体上。在此,该间距可以如此设计,使得放置在遮盖部112a上的输送本体200优选不导致调节元件114的阻塞。附加地,优选地在非按照规定地放置在遮盖部112a上的铁磁部分上的吸引力被限制,使得所述铁磁部分能够容易地再次脱离并且不会在操作时导致受伤。
线圈层128例如可以构造为具有位于内部的线圈的多层电路板。
遮盖部112a的面向至少一个输送本体200的表面优选形成定子100的作用面102。可选地,可以设置机械的回拉装置(未示出),该回拉装置增大调节磁体26的所有磁体组24与作用面102的间距。回拉装置例如可以在运送装置10的静止状态下自动地激活,由此可靠地限制在静止状态下从作用面102中出来的磁场。因此,例如可以实现在作用面102之前的无危险的作业并且使对于附着的铁磁颗粒的净化变得容易。
定子100优选可以在相对于重力的任意方向上运行,例如在工作工作台运行中(输送本体200漂浮在作用面102上方)、在壁运行中(输送本体200漂浮在作用面102旁)或在天花板运行中(输送本体200漂浮在作用面102下方)。原则上也可以在加速的参考系中或在失重下运行整个***。
优选地,定子100模块化地构造,从而多个同类的和/或不同的定子模块能够以简单的方式优选无缝地彼此排列(参见图2D)。定子模块优选地配备有数据连接124,例如通信信道,从而关于定子100以及位于其上的输送本体200的状态的信息可以优选地实时予以传递。
输送本体200优选能够自由地从一个定子模块滑到另一个定子模块上。因此,输送本体200的工作区域优选地可以根据需要被扩展。此外,每个模块优选具有用于能量供应的接口126和用于与其它定子模块耦接并且用于简单地集成到设备中的机械接口。
定子100的磁场优选通过磁体组24的主要为面状的或平面的布置产生。磁体组24的布置优选形成磁体组24的规则的正方形的网格,然而其他规则的或不规则的布置也是可行的。
图8A至图8E示出了磁体组24或调节磁体26的示例性的布置。例如图8A示出根据矩形的、尤其是正方形的网格的磁体组24的布置。图8B示出根据六边形的网格的磁体组24的布置。图8C示出根据矩形的网格的不同磁体组24的示例性布置。例如,磁体组可以在其磁偶极矩方面不同。此外,磁体组中的一些磁体组也可以是快速旋转的或缓慢旋转的,经由不同的传动机构与驱动装置连接和/或利用不同的驱动装置来运行。当有意使得旋转轴线基本上垂直于布置平面时,根据图8A至图8C的布置是特别有利的。此外,图8D和图8E示出了磁体组通过驱动轴28与驱动装置连接的布置,其中,驱动轴基本上平行于作用面102延伸。根据图8D的布置,驱动轴28平行地延伸,而根据图8E的布置至少近似径向地或圆形地延伸。
调节磁体26根据优选的实施方式通过单个磁体形成,如在图9A和图9B中示出的那样,替代地通过多个磁体在磁体组24中的布置形成,其中,磁体优选机械固定地彼此连接,如在图9C和图9D中示出的那样。替代地,调节磁体26可通过磁体组24形成,其具有多个不同地磁化的区域。优选地,磁体组24形成海尔贝克阵列(参见图9C和图9D),其朝向作用面的方向取向。这提供的优点是,通量密度在作用面102的方向上增大并且在所有其它方向上、尤其是在相邻的磁体组24的方向上减小。在图9A至图9D中示出的调节磁体26或磁体组24在此如此与驱动轴28连接,使得驱动装置的旋转轴线垂直于作用面102。在此,角度α表示驱动轴28或调节磁体26或磁体组24的调节角度。
图9E和图9F示出了如下布置,在该布置中,调节磁体26或磁体组24如此与相应的驱动轴28连接,使得驱动轴28基本上平行于作用面102延伸。因此,在这种布置中,调节磁体26或磁体组24围绕X轴线902进行旋转。
图9G示意性地示出根据6×6磁体组24的优选的实施方式的、根据正方形的网格在定子100中的布置,其中磁体组24分别被实施为海尔贝克阵列。图9H中示出了单个磁体组24的详细视图,特别是具有根据这种磁体组24的优选的实施方式的典型尺寸。
磁体组24优选在定子100中可以单独地调节,它们因此可以在其位置和/或取向上改变。它们优选可以实施直线运动和/或旋转和/或叠加运动。优选地,围绕驱动轴28的在结构上固定地预先给定的旋转轴线实施旋转。为了通过旋转实现磁场的有效变化,磁体组24的主偶极矢量优选地垂直于驱动轴28的旋转轴线取向。
磁体组24的旋转轴线可以相对于作用面102不同地取向。优选地,它们垂直于和/或平行于作用面102取向。相邻的磁体组24的间距被如此选择,使得由所述磁体组的磁性相互作用引起的、作用到所述磁体组24上的转矩相比于由输送本体200引起的典型转矩是小的。
为了对磁体组24进行定位和/或取向,使用如下调节元件114,这些调节元件优选可以实施直线运动和/或旋转和/或叠加运动。调节元件114优选使至少一个磁体组24运动。优选使用如下调节元件114,这些调节元件可以遮盖360°的角范围并且优选能够实施连续旋转。这对于输送本体200的多种运动而言可能是有利的。
图10A和图10B以示意图示出了调节元件114的优选的实施方式。优选地,这些调节元件具有如下驱动装置,该驱动装置例如具有马达34,像比如电动机,该马达可选地通过传动机构32和驱动轴28与调节磁体26或磁体组24机械连接或耦接。优选地,调节元件114具有用于测定调节角度α的传感器30并且可选地具有调控器(未示出),所述调控器能够将调节角度α优选快速且精确地调整或跟踪到预先给定的目标位置上。
例如,调节元件114具有电动机,在所述电动机的轴线上装配有至少一个磁体组24。传感器30测量驱动轴的旋转角α,具有可选地连接在后面的驱动放大器的PID调控器优选操控马达34。为了增加转矩或转速,可以在马达34和驱动轴28之间设置传动机构32。传动机构32例如可以是自锁的,从而不必为了将转矩维持在恒定的角位置中而给马达34供电。
在图8A至图8E中示出的在规则的网格中的同类的磁体组24的示例性的平面的布置在此优选如此构造,使得磁体组24中的每个磁体组能够由单独的调节元件114驱动或使其运动。在此,例如在图8C中示出的大的和小的磁体组24可以由不同的调节元件114驱动,其中,例如大的磁体组24由具有高转矩和大惯性的调节元件114 (例如带有传动机构)来操控,而小的磁体组24由具有较低转矩和较低惯性的调节元件114来操控。图8D示出了一种示例性的布置,在该布置中,驱动轴28平行于作用面102延伸,并且优选每根驱动轴28驱动多个磁体组24。
具有多个驱动装置的调节元件114可以优选影响一个磁体组24的多个自由度。例如,一个以万向节的形式(kardanisch)在两个空间方向上可旋转地支承的磁体组24由两个调节元件114可以在两个不同的空间方向上旋转。
代替电动机也可以使用其它的驱动***,例如起重磁体或压电驱动装置。
为了实现高的动态性,可以有利的是,磁体组24围绕其主惯性轴线中的一根以小的惯性矩旋转。旋转轴线优选延伸穿过相应的磁体组24的重心,以便避免定子100由于不平衡而振动。为了补偿机械驱动装置的惯性,例如可以在作用面102下方使用附加的线圈(参见图7c和图7D),所述线圈例如可以以高的动态性朝输送本体200施加相对小的校正力和/或校正力矩。定子100的作用场或悬浮场14或磁场于是由调节磁场和线圈场的叠加得到,其中,线圈场虽然必要时可明显更弱,但可更快地变化。
因为驱动装置以及驱动放大器能够在运行中变热,所以能够设置有如下冷却装置,所述冷却装置例如通过经由冷却体或通风装置和在定子100中的适当的通风通道所进行的热量导出来冷却驱动装置和/或驱动放大器(参见例如图7B)。
图10C以方框图示出了调节元件114的示例性的功能原理。在此,例如将相应的磁体组24的目标位置1001传递给调控器1002。于是,通过驱动放大器1003可以如此操控驱动装置1004,使得磁体组24必要时通过传动机构1005被相应地操控。通过相应的传感器1006可以测定磁体组24的实际的角方位或实际位置1007,并且将其再次输送给方位调控器,从而形成调控回路,借助于该调控回路可以尽可能精确地定位和/或取向磁体组。
根据另一种优选的实施方式,运送装置具有位置确定单元。该位置确定单元优选如此设置,从而可以优选周期性地、特别优选以高的频率和小的延迟时间检测至少一个输送本体200相对于定子100的作用面的位置和/或取向。优选地,在此检测输送本体200的所有自由度。测量例如可以是用于调控输送本***置的基础。图11示出了位置确定单元的一种优选的实施方式,该位置确定单元具有输送本***置确定元件116。例如,输送本***置确定元件116可以构造为电路板,其优选具有用于磁体组24或调节磁体26的空隙和/或配备有传感器132,其中,传感器132优选构造为磁场传感器。
位置确定单元可以至少部分地集成到定子100中或者在空间上与定子100分开地安装并且将位置数据传递给定子调控部。然而优选地,位置确定单元集成在定子100中,由此优选地可以保证相对于定子100的恒定的尺寸参照和/或简化对于整个***的操作。在集成到定子100中时,例如也能够有效地利用现有的结构空间,因为位置确定在输送本体200的、面向定子100的侧面上进行,进而位置确定优选不会被输送物品阻碍或歪曲。
作为传感器132优选使用磁场传感器和/或电容传感器和/或光学传感器。传感器优选以规则的网格布置在作用面102下方。例如,霍尔传感器可以在多个部位和/或在不同的空间方向上检测输送本体200中的磁场。优选地,所有传感器信号为了分析而被传递给计算机***。在那里,例如可以借助于算法由传感器信号和对输送本体200和定子100中的磁体组件的模型描述来测定输送本体200的实际位置。
为了减少或消除定子100中的磁场对输送本体200的位置确定的影响,传感器132优选地以距定子100的磁体组24尽可能大的间距来装配。附加地,可以存在如下磁屏蔽装置,该磁屏蔽装置减弱磁体组24对构造为磁场传感器的传感器132的影响。例如,在没有输送本体的一次性自动校准过程中,可以根据每个单独的磁体组24的位置来测量所有传感器132的传感器信号,其中,测量值可以作为校正表持久地存储在计算机***的存储器中。在运行中,例如可以在每次测量之后根据其当前位置以所有磁体组的存储在校正表中的差额(Fehlbetrag)来校正传感器原始值。
根据另一种优选的实施方式,定子100中的操纵接口提供用于设立和/或运行和/或维护和/或保养的基本的操纵和显示元件。例如,可以存在接通/断开开关、复位键以及用于指示定子100的运行或故障状态的信号灯。更复杂的设立功能优选地可由上级的计算机***来操纵,该计算机***例如通过通信接口与定子100连接。
优选地,电子控制部通过至少一个计算机***来检测传感器信号,与上级设备、与操纵接口以及必要时与其它定子和***组件通信,并且操控调节元件。
优选地,向每个定子100中或向每个定子模块中集成有计算机***。在使用多个定子100或定子模块时,其计算机***例如可以与总线***联网,所述总线***的拓扑结构可以灵活地扩展。在图12中示出了示例性控制图,其具有以下元件:
2001:上级设备的控制部
2002:运送装置的中央控制部
2003:操纵者界面
2004:模块控制部 定子1
2005:模块控制部 定子2
2006:模块控制部 定子3
2007:模块控制部 定子4
2008:模块控制部 定子5
2009:模块控制部 定子6。
总线***能够在短的时间内没有延迟时间地传递大的数据量。总线***可以以电、光和/或感应的方式传递数据。例如,相邻的定子100或定子模块可以具有光学发射器和接收器,它们通过所述光学发射器和接收器来交换状态信息。向总线***中可以集成有另外的计算机***。
根据一种优选的实施方式,用于运行运送装置10的方法可以算法的形式在至少一个计算机***上实现。多个定子100的复合体在此可以作为功能单元来处理,从而不依赖于输送本体200是位于仅一个定子100还是多个定子100的影响范围中而对该输送本体200进行控制。为此,计算机***优选同步到共同的时间基准。
优选地,至少一个计算机***提供用于设立和/或安全运行和/或用于每个定子100和多个定子100的复合体的维护和保养所需的所有功能。例如,集成的自诊断功能能够持久地监控正确的功能,使得能够立即识别并且报告故障功能和/或能够采取替代措施并且***必要时能够自动地进入安全的紧急停止。
在此,运送装置10具有至少一个定子100或至少一个定子模块和至少一个输送本体200。在此优选存在许多设计参数,它们可以被影响以匹配于目标应用,例如用于缩放到输送物品的大小或重量上的定子100的尺寸、驱动装置的最大转矩和/或转速和/或惯性矩、调节磁体26和固定磁体在定子100或输送本体200中的强度和/或布置以及调控参数。
优选地,磁体组24在定子100中的布置与磁体组24在输送本体200中的布置如此相协调,使得在其工作空间的每个点处具有f个自由度的输送本体200可以受到至少f个磁体组24的力和力矩的影响。尤其地,磁体组件被如此设计,使得在工作空间中不存在奇点,即不存在不满足该条件的奇异区域。定子和输送本体中的磁体组件的示例性的配对如下:
- 如图8A的定子和如图4F的输送本体,其中γ/λ=1/3。
- 如图8A的定子和如图4G的输送本体,其中γ/λ=1/3。
- 如图8A的定子和如图4I的输送本体,其中γ/λ=1/3。
- 如图8A的定子和如图4M的输送本体,其中γ/2r=1/3。
- 如图8B的定子和如图4F的输送本体,其中γ/λ=1/3。
- 如图8E的定子和如图4I的输送本体,其中R/r=1。
λ表示固定磁体22的或固定磁体22的磁体组24的海尔贝克布置的周期长度,而γ表示调节磁体26或磁体组24的规则的布置的周期长度(例如参见图8A)。
优选地,输送本体200是超定的,即它们可以同时受到多于f个磁体组24的影响。这样获得的冗余具有诸如改进的失效安全性的优点。如果一个磁体组24不再能有效地控制,则优选其他磁体组24至少部分地补偿失效,从而必要时可以有限制地保持输送本体200的位置。对于力/力矩变化所需的位置变化可以优选地分布到多个磁体组24上。由此优选地减小每个单个磁体组24的位置变化。因此,优选能够总体上更迅速地实施位置变化,从而使得运送装置10的动态性增加。优选地,待施加以引导输送本体200的力和力矩分布在多个磁体组24上,使得可以使用具有较弱的调节元件114的较小的磁体组24,以便实现相同的效果。这可以带来运送装置10的能耗和成本方面的优点。
运送装置优选可以与传统的运输***组合。例如,输送本体200可以通过如下方式利用皮带在大的距离上输送,即,输送本体例如离开定子100,从皮带移动至新的位置,并且在那里再次驶上或放置到定子上。在模块化的总***的范围内,能够将具有不同能力的定子100组合。例如,可以得到针对高的速度和/或高精度和/或高力予以优化的定子模块。这些模块优选局部地使用在需要它们的地方。
具有弯曲表面的定子,如图13A所示,也可以通过例如呈圆形的结构形式的磁体组的相应的布置来实现,如图13B和图13C所示,其具有外部或内部引导的输送本体200和位于内部或外部的定子100。例如,这种运送装置对于用作机械轴承(例如以便可旋转地支承轴)而言是有利的。
为了节省能量,只要在相应的磁体组24的引入区域中没有输送本体200,优选调节元件114可以暂时以降低的电流运行或被断开。在接近输送本体200时,它们优选短时地再次被激活。
定子100和输送本体200的外部面可优选地如此设计,使得其匹配于相应的环境条件,例如匹配于极端的温度要求、高的清洁度要求、无颗粒性、无菌性、容易的可净化性、相对于侵蚀性的材料的耐受性、在有***危险的区域中的使用、在液体或气体环境中的使用等。例如,有很多种非铁磁材料可用于此,像比如非铁金属、塑料、特氟龙、陶瓷、玻璃、橡胶、木材等。
一组输送本体200可优选地共同地实施任务。例如,多个同步运动的输送本体200可能输送对于输送本体200而言过重的大负载。或者多个输送本体200例如通过无源的杆运动机构和铰链相互连接,从而该运动机构可以用作操作器械。
不是所有的自由度都必须悬浮地(levitierend)设计,取而代之的是,各个自由度也可以通过机械引导部来实现。
为了廉价地实现具有大输送范围的悬浮***,定子100优选可以与传统的轴***或车辆组合作为运动装置。例如,轴***或有轮车辆在较大的工作区域中输送定子100。而定子100继而可以在较小的工作区域中精确且漂浮地定位输送本体200。
可选地,中间平面(颗粒屏障)位于定子100和输送本体200之间。输送本体200在此优选能够位于洁净的区域中,而车辆位于外部。前进功能例如主要由具有其传统的车轮驱动装置的车辆承担,而定子100与输送本体200承担漂浮功能和精确定位。
在其它优选的实施方式中,可以交换定子100和输送本体200的工作原理,使得例如固定磁体22的组件位于定子100中,并且有源地运动的调节磁体26可以位于输送本体200中。在该变型中,输送本体200例如可携带电源38 (例如蓄电池、燃料电池、太阳能电池)或从外部供应能量(例如通过电缆)。以该方式,例如晶片保持件为了保持晶片36而利用有源的驱动装置而能够在没有轮的情况下继续运动,其方式是,所述晶片保持件具有带调节磁体26的驱动装置42,以便例如在固定在地面40上的、配备有固定磁体22的轨道或平面上行走(参见图14)。
下面基于前面描述的运送装置10描述根据一种优选的实施方式的方法,利用该方法实现了至少一个输送本体200的稳定的磁悬浮,然而本发明不限于所阐述的方法。
至少一个输送本体200在动态变化的磁场中受到力和力矩,所述磁场通过调节磁体26的受调控的运动在至少一个定子100中产生。
为了描述至少一个输送本体200的位置,给出笛卡尔坐标系900和920:
每个输送本体i具有坐标系920i,该坐标系920i具有轴线(xi、yi、zi)和相对于输送本体的位置固定的参考,该坐标系的原点例如位于输送本体的磁体组件的计算出的质量重心中。
具有轴线(X、Y、Z)的定子坐标系900具有相对于定子的位置固定的参考。该坐标系的X和Y轴线位于定子的作用面中,Z轴线垂直于作用面并且指向输送本体的方向。具有下标i的输送本体的位置在定子坐标系中通过位置矢量来描述,所述位置矢量说明了输送本体坐标系的原点。输送本体i的角度方位由矢量表示,该矢量的三个分量说明了分别由定子和输送本体的坐标系的X轴线、Y轴线和Z轴线围成的角度。
此外,还可在定子内布置磁体组,这些磁体组可单独地在至少一个维度上相对于定子运动并且这些磁体组的位置可以通过调节元件来改变。下面假设磁体组的旋转方位或角度方位是可变的,其中旋转轴线在定子坐标系中是恒定的并且延伸穿过磁体组的质量重心。磁体组k的当前旋转方位是αk。由控制部预给定目标角度αk, soll,该目标角度由调节元件的调控器快速且精确地转换,从而在短时间之后变为αk=αk, soll。
根据一种优选的实施方式,该方法作为程序在控制部中实现,并且以100-10000Hz的频率循环。下面描述在图15中示例性示出的示例性循环的功能步骤。
3000a)确定输送本体的实际位置和实际速度
磁场传感器、电容传感器和/或光学传感器以规则的网格安置在定子的作用面下方。下面的描述示例性地基于霍尔传感器。每个霍尔传感器测量在正交方向上的三个磁场分量。传感器原始值由计算机读入,定子中的所有磁体组的角度方位也是如此。如果其它定子相邻,则在那里同时测定的测量值通过数据总线传递到定子上。整个读入过程典型地持续0.1ms-1ms。
首先,每个传感器的测量值以与其相邻的磁体组的影响进行校正。相邻的磁体组的场份额对于每个传感器在初始化过程中被一次性确定并且与旋转角度相关地存储在校正表中。使用当前读入的相邻的磁体组的旋转角度,来访问校正表。从所有传感器原始值中减去相邻的磁体组的场份额。这样获得的经校正的传感器值代表输送本体磁体组件在作用面上的通量密度。
然后测定至少一个输送本体的位置。为此,在计算机的存储器中存储有输送本体的磁体组件的描述作为列表。该列表包含在输送本体坐标系中说明的所有调节磁体和/或磁体组24的位置和偶极矢量。借助于该列表、用于磁偶极子的场方程和叠加原理建立输送本体的通量密度分布的计算模型。利用该模型可以计算通量密度矢量,所述通量密度矢量在定子传感器的地点上的预先给定的输送本***置的情况下是可以预期的。标量误差函数测定对于所有输送本体和磁体组的测量的和建模的通量密度的失配(Fehlanpassung)的度量。通过在模型中迭代地优化输送本体的位置和角度方位,误差函数被最小化,也就是与实际的测量数据相匹配。一旦不再获得改善和/或低于预先定义的误差阈值,则终止迭代方法。
在模型的精度范围内,将至少一个输送本体i的如此测定的6D位置解释为具有位置矢量和角度矢量的输送本体i的实际位置。通过对位置值的周期序列进行数值微分,利用平移的速度矢量和旋转的角速度矢量来计算实际速度。
3000b)确定输送本体的目标位置和目标速度
上级设备可以将至少一个输送本体的期望的运动轨迹作为6D目标位置、目标时间和/或目标速度的序列通知给控制部。轨迹可以由直线、圆弧或其他几何基本元素组成。
控制部在空间和时间上对运动轨迹进行内插。为了在空间上进行进行内插,考虑在机器人技术中常见的各种内插方法,例如线性、样条或多项式内插。为了在时间上进行内插,控制部将空间内插的轨迹分解成控制点。在每个周期中,控制部为每个输送本体i提供具有位置矢量和角度矢量的目标位置,以及可选地提供具有平移的速度矢量和旋转的角速度矢量的目标速度,并将其传递给轨迹调控器。
3000c)轨迹调控部
轨迹调控部用于将输送本体的实际位置快速且精确地跟踪到目标位置上。为此,轨迹调控器计算调控偏差,即在所有6个维度中的目标位置和实际位置之间的差和/或目标速度和实际速度之间的差。该轨迹调控部使用该调控偏差作为用于调控算法的输入参量,该调控算法例如是针对每个有待调控的维度单独进行计算的PID算法。作为输出参量,轨迹调控器为每个输送本体i提供用于校正轨迹所需的目标力矢量和目标力矩矢量。调控器参数,例如增益(P)、再调时间(I)和提前时间(D),要么被一次地测定并固定存储在控制部中,要么被动态地匹配于输送本体的运动和负荷状态,像比如匹配于其总质量或质量分布,其可以由观测器(Beobachter)或观测装置(参见3000 f)来测定。
3000d)力/力矩控制部
该程序部分根据所有输送本体的目标力矢量和目标力矩矢量计算用于所有磁体组的目标位置,这导致产生目标力和力矩。考虑影响待控制的输送本体的所有磁体组。为此,力/力矩控制部使用在定子中和在至少一个输送本体中的磁体组件的空间模型。该模型能够近似地计算在磁体组的预先给定的位置中产生的力和力矩。在该模型中,输送本体的磁体组件作为所有输送本体磁体的位置和偶极子矢量的列表加以存储。同样存储有每个磁体组的磁体的列表。在模型中,首先计算所有磁体对之间的部分力和力矩,然后由此计算作用到每个输送本体上的总力和总力矩。在此,尽可能好地考虑所有影响,例如也考虑在两个输送本体之间相互施加的力和力矩。
为了进行计算,主要使用如下方程:
其中n表示叠加的场的数量。
E越小,则所有输送本体的实际力与目标力和力矩之间的一致性越好。误差函数可以修改或者扩展附加项,使得能量上更有利的情况是优选的。因此,整个***的特性例如可以针对最小功率需求、磁体组的最小位置变化或参与位置变化的磁体组的最小数量来予以优化。
在迭代的优化方法中,逐步改变磁体组在模型中的位置。在每个步骤之后,在模型中重新计算力和力矩并且通过误差函数来评估。导致误差E减小的步骤被保留并且构成下一迭代步骤的基础。一旦误差不能进一步降低和/或低于预设的阈值和/或已经实施了预先给定的数量的迭代步骤,就结束优化循环。
3000e)向调节元件输出目标位置
磁体组的在模型中优化的位置作为目标预设值输出到调节元件上。
3000f)用于测定运动参数的观测器(可选)
被称为“观测器”的算法检测磁体组以及输送本体的实际位置的时间上的变化曲线作为对其的响应。该算法利用这些信息,以便借助于扩展的模型来确定输送本体的运动参数。所述扩展的模型基于前面描述的力/力矩模型并且被补充了其它物理参量,所述物理参量描述输送本体的运动状态,例如质量、阻尼、重心、重力矢量、惯性张量或惯性加速度。此外,在模型中,在平移和旋转中计算输送本体的运动方程。
因为运动参数事先是未知的,所以在开始估计其值并且随后在模型的迭代计算中通过有针对性的参数变化来优化其值。使用标量误差函数来评估失配,标量误差函数评估模型化的轨迹曲线与在最近的测量的时间段上测量的轨迹曲线的偏差。
作为结果,可获得上述运动参数的近似值。这些近似值可以例如在控制部内用于优化调控器参数,如P、I和D。例如,可以测定具有装载物的输送本体的总重量m,并且在轨迹调控部中,将其作为因子考虑用于计算目标力和力矩,使得在双重重量的情况下,双倍的力和力矩被输出到输送本体,并且因此加速度a=F/m独立于质量。运动参数也可以作为状态信息输出给上级设备(图16),从而上级设备例如从输送本体的重量中推断出负荷状态并且由此可以执行过程控制。例如,为了识别输送本体的负荷状态或总质量,所述运送装置可以具有负荷识别装置。在另一示例中,例如在输送飞溅的液体时能够主动地调整重心移位,使得能够快速且过程可靠地输送带有液体的打开的容器。
以下有利的设计方案中的一种或多种也可以有助于改进在此提出的方法,根据这些设计方案尤其是:
- 至少两个固定磁体22具有:
- 两个固定磁体(22),它们布置在一条直线上,其中,所述固定磁体中的至少一个的偶极矩相对于该直线不平行地取向,或者
- 三个或更多个固定磁体(22);
- 至少两个固定磁体(22)和/或多个调节磁体(26)分别具有至少一个永磁体;
- 至少一个永磁体具有至少0.05T,优选至少0.1T,进一步优选至少0.25T,更进一步优选至少0.5T,特别优选至少0.75T,最优选至少1T的磁通量密度;
- 多个调节磁体(26)分别具有一个磁体组(24)和/或至少两个固定磁体(22)布置在一个磁体组(24)中,其中,优选每个调节磁体(26)具有一个磁体组(24),和/或其中,优选每个调节磁体(26)具有一个磁体组(24),并且其中,每个磁体组具有多个永磁体和/或磁线圈;
- 根据至少一个海尔贝克阵列来如此布置至少一个磁体组(24)的多个永磁体和/或磁线圈,使得磁体组(24)的磁场优选地朝向运送面延伸;
- 调节元件(14)具有如下驱动元件,该驱动元件设置用于以受控制的方式改变与其连接的调节磁体(26)的位置和/或取向;和/或其中,所述调节元件(114)具有如下传感器元件,所述传感器元件设置用于,测定与所述调节元件(114)连接的调节磁体(26)的位置和/或取向;和/或其中,所述调节元件(114)具有控制元件,所述控制元件设置用于,借助于驱动装置将与所述调节元件(114)连接的调节磁体(26)的位置和/或取向调整到预先确定的值上;
- 所述运送装置(10)还具有位置确定单元,所述位置确定单元设置用于,测定所述至少一个输送本体(200)相对于所述定子(100)的相对位置和/或取向;
- 所述运送装置(10)还具有如下运动装置,所述运动装置设置用于使所述定子相对于环境运动;
- 输送本体(200)或定子具有能量存储器;
- 所述至少一个输送本体(200)具有至少一个内部自由度并且优选总共具有多于六个自由度;
- 此外,定子(100)和/或输送本体(200)具有遮盖部(112a),所述遮盖部设置用于限制在定子(100)和输送本体(200)之间作用的力;
- 固定磁体(22)布置为二维海尔贝克阵列,并且尤其是具有矩形和/或正方形和/或六边形和/或圆形布置;
- 固定磁体(22)在输送本体(200)中至少部分地以圆柱形和/或球形的方式如此布置,使得它们具有比具有固定磁体(22)的平面布置的输送本体(200)更大的枢转范围;
- 所述至少一个输送本体(200)具有识别元件,并且所述运送装置(10)设置用于借助于所述识别元件来识别所述输送本体(200);
- 定子具有多个定子模块,所述定子模块优选彼此邻接地布置;
- 调节元件(114)构造为旋转调节器,该旋转调节器尤其具有垂直于定子(100)的作用面(102)的旋转轴线;
- 定子(100)具有弯曲的作用面(102);
- 所述调节磁体(26)的自由度的数量至少与如下自由度的数量一样大,所述至少一个输送本体(200)应沿着所述自由度以受控制的方式被运送和/或定位;
- 运送装置(10)构造为非触碰的机械轴承;
- 所述运送装置设置用于,在功率供应中断的情况下将所述至少一个输送本体固定在所述至少一个定子上;
- 所述运送装置(10)还包括负荷识别装置,其设置用于测定输送本体的负荷状态;
- 所述运送装置(10)还包括观测装置,所述观测装置设置用于测定所述输送本体(200)相对于所述定子(100)的质量和/或重心。
以下有利的设计方案中的一种或多种也可以有助于改进在此提出的方法,根据这些设计方案尤其是:
- 如此操控调节元件(114),使得所述至少一个输送本体(200)相对于所述定子(100)占据期望的位置和/或取向;
- 期望的位置和/或取向具有六个自由度;
- 如此操控调节元件(114)的步骤,使得至少一个输送本体(200)相对于定子(100)占据所期望的位置和/或取向,包括:
- 确定输送本体(200)相对于定子(100)的实际位置和/或实际速度;
- 确定输送本体(200)相对于定子(100)的目标位置和/或目标速度;
- 测定实际位置和/或实际速度与目标位置或目标速度的偏差;
- 如此计算调节磁体(26)的至少一部分的目标位置,使得相应的调节磁体(26)作用于输送本体的目标位置和/或目标速度与实际位置或实际速度的偏差的减小。
- 借助于调节元件(114)如此布置相应的调节磁体(26),使得相应的调节磁体占据目标位置。
Claims (10)
1.一种用于运送至少一个晶片(36)的运送装置(10),具有至少一个输送本体(200),其中所述输送本体(200)至少设置用于承载或保持至少一个晶片(36),并且其中,所述运送装置(10)设置用于在运送面(35)上至少二维地使得所述至少一个输送本体(200)运动。
2.根据权利要求1所述的运送装置(10),其中,所述运送装置(10)设置用于以受控制的方式漂浮地运送所述至少一个输送本体(200)。
3.根据权利要求1或2所述的运送装置(10),其具有定子(100),其中所述运送装置(10)设置用于相对于所述定子(100)以受控制的方式运送所述至少一个输送本体(200),其中:
- 所述定子具有多个能够运动地布置的调节磁体(26),所述调节磁体中的每个调节磁体通过调节元件(114)与所述定子(100)相连接,其中所述调节元件(114)设置用于以受控制的方式改变与其相连接的调节磁体(26)相对于所述定子(100)的位置和/或取向;
- 所述至少一个输送本体(200)具有至少两个固定磁体(22),所述固定磁体与所述输送本体(200)如此连接,使得所述至少两个固定磁体(22)不能够相对于所述输送本体(200)运动;
- 所述定子(100)和所述至少一个输送本体(200)借助于所述至少两个固定磁体(22)和所述多个调节磁体(26)磁性地耦接;和
- 所述运送装置(10)设置用于,通过借助于所述调节元件(114)使得多个调节磁体(26)受控制地定位和/或取向来相对于所述定子(100)运送所述至少一个输送本体(200)。
4.根据权利要求1或2所述的运送装置(10),具有定子(100),其中,所述运送装置(10)设置用于相对于所述定子(100)以受控制的方式运送所述至少一个输送本体(200),其中:
- 所述至少一个输送本体(200)具有多个能够运动地布置的调节磁体(26),所述调节磁体中的每个调节磁体通过调节元件(114)与所述输送本体(200)连接,其中,所述调节元件(114)设置用于以受控制的方式改变与其连接的调节磁体(26)相对于所述输送本体(200)的位置和/或取向;
- 所述定子(100)具有至少两个固定磁体(22),所述固定磁体与所述定子(100)如此连接,使得所述至少两个固定磁体(22)不能够相对于所述定子(100)运动;
- 所述至少一个输送本体(200)和所述定子(100)借助于所述至少两个固定磁体(22)和所述多个调节磁体(26)磁性地耦接;和
- 所述运送装置(10)设置用于,通过借助于所述调节元件(114)使得所述多个调节磁体(26)受控制地定位和/或取向来相对于所述定子(100)运送所述至少一个输送本体(200)。
5.根据权利要求3或4中任一项所述的运送装置(10),其中,所述多个调节磁体(26)和/或所述至少两个固定磁体(22)布置成面向运送面(35),其中,所述运送装置(10)设置用于将所述至少一个输送本体(200)沿着所述运送面(35)以受控制的方式相对于所述定子(100)运送。
6.根据前述权利要求中任一项所述的运送装置(10),其中,所述运送装置(10)设置用于沿着不同的运送路径在所述运送面(35)上运送至少两个输送本体(200),特别地使得一个输送本体(200)能够超过另一个输送本体(200)。
7.根据前述权利要求中任一项所述的运送装置(10),其中,所述运送装置(10)设置用于沿着至少双轨式的运送路径在所述运送面(35)上运送至少两个输送本体(200)。
8.根据前述权利要求中任一项所述的运送装置(10),其中,所述运送装置(10)设置用于将所述至少一个输送本体(200)至少朝向加工站(37)运送或在加工站(37)中至少定位或定向借助于所述输送本体(200)输送的晶片(36)。
9.根据前述权利要求中任一项所述的运送装置(10),其中,所述运送装置(10)设置用于借助于所述多个调节磁体(26)和所述至少两个固定磁体(22)使所述至少一个输送本体(200)相对于所述定子(100)悬浮。
10.一种用于运行根据前述权利要求中任一项所述的运送装置(10)的方法,其中,至少一个输送本体(200)在运送面(35)上自由地朝期望的位置和/或取向运动。
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