Derartige
Portale kommen insbesondere bei Anwendungen zum Einsatz, bei denen
eine mikrometergenaue Positionierung von Komponenten erwünscht ist.
Beispielsweise können
an den Portalen Mess- und Wartungseinrichtungen angeordnet werden,
die Aufgaben im Hinblick auf zwischen den Schienen angeordnete Bauteile
wahrnehmen. Es ist zum Beispiel bekannt, die Endkontrolle und die
gegebenenfalls erforderliche Nachbesserung von Flachbildschirmen
mittels derartiger Portale zu bewerkstelligen. Zu diesem Zweck wird
ein Flachbildschirm unterhalb des Portals, das heißt zwischen
den Schienen, angeordnet, eine auf dem Träger über Luftlager gelagerte Laufkatze
wird durch Verschiebung der Laufkatze und Verschiebung des Trägers mikrometergenau über einer
bestimmten Stelle eines Flachbildschirms angeordnet, und die an
der Laufkatze befestigten Einrichtungen können Messungen und Eingriffe
an einer bestimmten Stelle des Flachbildschirms vornehmen. Luftlagerportale
sind für
derartige Anwendungen auch aus dem Grund bevorzugt, da sie trotz
der geforderten Genauigkeit in der Lage sind, große Massen,
das heißt
insbesondere auch große
und aufwendige Apparaturen, zu positionieren. Außerdem weisen Luftlagerportale
Reinraumtauglichkeit auf.
Bei
Luftlagerportalen hat es sich als nützlich erwiesen, den Träger gelenkig
mit den Lagereinrichtungen zu verbinden. Zu diesem Zweck sind Lager mit
vertikal ausgerichteter Achse zur Verbindung des Trägers an
den Lagereinrichtungen vorgesehen. An einem Ende ist der Träger über ein
einachsiges Festlager mit der Lagereinrichtung verbunden, während an
dem anderen Ende des Trägers
ein zweiachsiges Loslager vorgesehen ist. Hierdurch können ungleiche
Geschwindigkeiten der Lagereinrichtungen bei ihrer Bewegung entlang
der Schienen bis zu einem gewissen Maß ausgeglichen werden. E benfalls
ist es durch die gelenkige Verbindung zwischen Träger und Lagereinrichtungen
möglich,
thermische Ausdehnungen der Komponenten sowie Justageprobleme zu kompensieren.
Die genannte gelenkige Anbindung des Trägers an die Lagereinrichtungen
kann auch durch Festkörpergelenke,
beispielsweise Federplatten, realisiert sein.
6 zeigt ein Portal gemäß dem Stand
der Technik. Ein solches Portal 110 umfasst zwei auf einer
(hier nicht dargestellten) Basis angeordnete Schienen 112, 114.
Auf diesen Schienen 112, 114 ist ein Träger 116 über zwei
identisch aufgebaute Lagereinrichtungen 118, 120 in
einem vorgegebenen Winkel von 90° zu
den Schienen 112, 114 angeordnet. Jede dieser
Lagereinrichtungen 118, 120 ist über beispielsweise
sechs Luftlagerelemente auf den Schienen 112, 114 gelagert,
wobei jeweils zwei Luftlagerelemente – Luftlagerelemente 122, 124 für Lagereinrichtung 118 und
Luftlagerelemente 130, 132 für Lagereinrichtung 120 – in 6 erkennbar sind. Die Lagereinrichtungen 118, 120 werden
durch Linearmotoren angetrieben, wobei der an der Schiene 114 angeordnete
Linearmotor 140 in 6 erkennbar
ist. Auf dem Träger 116 ist
eine Laufkatze 142 über
zwölf Luftlagerelemente
gelagert. Die Laufkatze 142 wird von einem Linearmotor 146 angetrieben.
An den Schienen 112, 114 und dem Träger sind
jeweils Skalen 152, 154, 156 vorgesehen,
um die Relativpositionen der Komponenten zu überwachen beziehungsweise rückzukoppeln.
Der Träger 116 ist über ein Festlager 158 mit
der Lagereinrichtung 120 und über ein Loslager 160 mit
der Lagereinrichtung 118 gekoppelt. Das Festlager 158 weist
eine vertikal ausgerichtete Drehachse auf, während das Loslager 160 zwei vertikal
ausgerichtete Drehachsen hat, auf denen ein gemeinsames Verbindungselement
schwenkbar angeordnet ist. Durch diese Konstruktion lassen sich die
Lagereinrichtungen 118, 120 bis zu einem gewissen
Maß unabhängig voneinander
entlang der Schienen 112, 114 bewegen, und es
können
sonstige Toleranzen ausgeglichen werden.
Die
bekannten Portale sind vergleichsweise aufwendig und bezüglich ihrer
Funktionalität
verbesserungsfähig.
Insbesondere sind die auf einer Vielzahl von Luftlagerelementen
gleitenden Lagereinrichtungen komplex und in der Fertigung aufwendig. Ferner
ist zu bemerken, dass aufgrund des hohen Materialeinsatzes im Bereich
der Lagereinrichtungen eine unbefriedigende Kraftankopplung des
Trägers an
die Schienen vorliegt.
Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Portal zur Verfügung zu
stellen, das in seinem Aufbau gegenüber Portalen des Standes der
Technik vereinfacht und gleichzeitig verbessert ist, wobei insbesondere
die vorgenannten Nachteile ausgeräumt werden sollen.
Diese
Aufgabe wird mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruches gelöst.
Vorteilhafte
Ausführungsformen
der Erfindung sind in den abhängigen
Ansprüchen
angegeben.
Die
Erfindung baut auf dem gattungsgemäßen Portal dadurch auf, dass
die Lagereinrichtungen geeignet sind, eine Rotationsbewegung um
eine vertikale Achse auszuführen,
wenn die Ausrichtung des Trägers
zu den Schienen von dem vorgegebe nen Winkel abweicht. Auf diese
Weise können
beispielsweise temperaturbedingte Materialausdehnungen, unterschiedliche
Bewegungsgeschwindigkeiten der Lagereinrichtungen und Justageprobleme
im Bereich der Lagereinrichtungen selbst ausgeglichen werden.
In
diesem Zusammenhang ist es besonders bevorzugt, dass der Träger ungelenkig
mit den Lagereinrichtungen verbunden ist. Die im Rahmen des Standes
der Technik zu Kompensationszwecken vorgesehenen Gelenke zwischen
den Lagereinrichtungen und dem Träger sind aufgrund der den Lagereinrichtungen
eigenen Kompensationsfähigkeiten
entbehrlich.
Die
Erfindung ist in bevorzugter Weise dadurch weitergebildet, dass
die erste Lagereinrichtung zwei eine vertikal gerichtete Kraft aufnehmende
Luftlagerelemente, ein eine horizontal gerichtete Kraft aufnehmendes
Luftlagerelement und ein Vorspannluftlagerelement aufweist, mittels
dem das die horizontal gerichtete Kraft aufnehmende Luftlagerelement
vorgespannt wird. Die beiden eine vertikal gerichtete Kraft aufnehmenden
Luftlagerelemente sind vorzugsweise hintereinanderliegend in Richtung
der Schienen angeordnet. Durch die entsprechenden Auflagebereiche
kann ein Verdrehen des Trägers
um seine eigene Achse weitgehend unterbunden werden. Das weitere
eine horizontale Kraft aufnehmende Luftlagerelement wirkt mit einer
Seitenfläche
der Schiene zusammen, die der anderen Schiene zugewandt ist. Die
Gegenkraft für
das Luftlagerelement wird durch ein Vorspannluftlagerelement aufgebracht,
das mit der anderen Seitenfläche
der Schiene zusammenwirkt, das heißt mit der der anderen Schiene
abgewandten Seitenfläche.
In
diesem Zusammenhang kann es besonders vorteilhaft sein, dass das
Vorspannluftlagerelement elastisch mit dem Träger verbunden ist. Das Vorspannluftlagerelement
muss also nicht starr mit dem Träger
in Verbindung stehen. Durch die elastische Anbindung können unter
Aufrechterhaltung der erforderlichen Vorspannkraft größere Rotationsbewegungen
der Lagereinrichtung zugelassen werden. Außerdem wird die Toleranzproblematik
verringert, da die Anforderungen an die Paralleljustierung der Schienen
an Bedeutung verringert werden.
Im
Hinblick auf die Vorspannkraft kann auch vorgesehen sein, dass das
die horizontal gerichtete Kraft aufnehmende Luftlagerelement mittels
Magnetkraft vorgespannt wird. Ist das genannte Luftlagerelement
beispielsweise unter der Achse des Trägers angeordnet, so könnten Permanentmagnete
seitlich von diesem Luftlagerelement an dem Träger beziehungsweise an mit
dem Träger
in Verbindung stehenden Bauteilen vorgesehen sein. Sieht man an
der Schiene einen Streifen aus ferromagnetischem Material vor, so
kann in jeder Position des Trägers
die erforderliche Vorspannkraft aufgebracht werden.
In
vergleichbarer Weise ist es möglich,
dass das die horizontal gerichtete Kraft aufnehmende Luftlagerelement
mittels Vakuum vorgespannt wird. Der das Luftlagerelement tragende
Bereich wird in diesem Fall durch Öffnungen an die Schiene "angesaugt".
Weiterhin
ist es denkbar, dass das die vertikal gerichtete Kraft aufnehmende
Luftlagerelement auf einer geneigten Ebene der Schiene aufliegt,
so dass das die horizontal gerichtete Kraft aufnehmende Luftlagerelement
mittels Gewichtskraft vorgespannt wird. Hat die Schiene eine nach
außen
abfallende obere Fläche,
so ist diese in der Lage, sowohl die vertikale Kraftkomponente,
die durch den Träger und
die daran befestigten Bauteile aufgebracht wird, als auch die laterale
bzw. horizontale Kraftkomponente zur Bereitstellung der Vorspannkraft
zur Verfügung
zu stellen.
Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung ist es vorgesehen, dass die zweite Lagereinrichtung
zwei eine vertikal gerichtete Kraft aufnehmende Luftlagerelemente
aufweist. Auf diese Weise wird mit minimalem Aufwand eine Luftlagerung
des Trägers
auf der zweiten Schiene zur Verfügung
gestellt, wobei die Anwesenheit von zwei im Wesentlichen in Richtung
der Schiene hintereinander angeordneten Luftlagerelementen eine
Stabilität
des Trägers
im Hinblick auf eine Verdrehung um seine Achse gewährleistet.
Weiterhin
ist es bevorzugt, dass mindestens eine der Lagereinrichtungen Kontaktelemente
aufweist, um beim Überschreiten
eines maximalen Rotationswinkels bei der Bewegung der Lagereinrichtung ein
elektrisches Signal zur Verfügung
zu stellen. Die Bewegung des Trägers
auf den Schienen wird vorzugsweise durch entlang der Schienen angeordnete Linearmotoren
bewirkt. Insbesondere beim Anlaufen derartiger Linearmotoren kann
es zu unvorhergesehenen Geschwindigkeiten kommen, die ein Verkanten
des Trägers
bewirken können.
Durch
die erfindungsgemäße Anordnung
der Lagereinrichtung unter Bereitstellung eines Rotationsfreiheitsgrades
können
solche unvorhergesehenen Bewegungszustände bis zu einem bestimmten Maß ausgeglichen
werden. Beim Überschreiten
der tolerablen Abweichungen von der Parallelbewegung ist es jedoch
sinnvoll, ein Signal zur Verfügung
zu stellen, um auf dieser Grundlage beispielsweise die Anlage stillzulegen.
Die
Erfindung betrifft weiterhin einen Träger für ein erfindungsgemäßes Portal.
Der
Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass im dreidimensionalen
Raum grundsätzlich
fünf Lager
geeignet sind, eine Linearführung
zu realisieren. Durch die fünf
Lager können
fünf der
sechs vorhandenen Freiheitsgrade gesperrt werden, so dass der nicht
gesperrte sechste Freiheitsgrad die Linearbewegung zulässt. Dadurch,
dass einer der fünf
zu sperrenden Freiheitsgrade aufgrund der Führung durch die Linearmotoren
gesperrt ist, reduziert sich die Anzahl der erforderlichen Lager
auf vier. Die Erfindung liefert insofern eine Minimallösung im
Hinblick auf die Anzahl der erforderlichen Lager.
Das
Portal 10 weist zwei auf einer Basis 50 angeordnete
Schienen 12, 14 auf. Auf diesen Schienen 12, 14 ist
ein Träger 16 angeordnet,
wobei dieser senkrecht zu den Schienen 12, 14 ausgerichtet
ist. Der Träger 16 ist über Lagereinrichtungen 18, 20 auf den
Schienen 12, 14 angeordnet. Die der Schiene 12 zugeordnete
Lagereinrichtung 18 umfasst zwei Luftlagerelemente 22, 24,
die die Gewichtskraft des Trägers 16 und
eventuell an dem Träger 16 angeordneter
Komponenten aufnehmen. Die Lagereinrichtung 20 weist zum
selben Zweck ebenfalls zwei Luftlagerelemente 30, 32 auf.
Die genannten Luftlagerelemente 22, 24, 30, 32 sind
bezogen auf ihre Bewegungsmöglichkeit
hintereinander liegend angeord net, so dass der Träger 16 entlang
der vorzugsweise aus Granit gefertigten Schienen 12, 14 nahezu
reibungsfrei gleiten kann. Für
den Antrieb des Trägers 16 sind
Linearmotoren 38, 40 entlang der Schienen 12, 14 angeordnet.
Auf dem Träger 16 ist
weiterhin eine Laufkatze 42 angeordnet. Diese ist über beispielsweise
zwölf Luftlagerelemente
auf dem ebenfalls vorzugsweise aus Granit bestehenden Träger 16 gelagert.
Ein weiteres Luftlagerelement 26 wirkt mit einem Vorspannluftlagerelement 28 zusammen.
Das Vorspannluftlagerelement 28 ist über eine Nase 44 mit
dem Träger 16 befestigt.
Des Weiteren sind zwei Kontaktelemente 34, 36 im
Bereich der ersten Lagereinrichtung 18 erkennbar. Diese
stellen bei einem Verkanten des Trägers 16, insbesondere
aufgrund unterschiedlicher Geschwindigkeiten der durch die Linearmotoren 38, 40 angetriebenen
Lagereinrichtungen, ein Signal zur Verfügung, das vorzugsweise das
Ausschalten des Portals bewirkt. Die Kontaktelemente 34, 36 dienen
auch als mechanischer Anschlag. Es sind weiterhin Skalen 52, 54, 56 an
den Schienen 12, 14 und dem Träger 16 vorgesehen, über die
sich die Position der Vorrichtung überwachen beziehungsweise rückkoppeln
lässt.
Die
Lagereinrichtungen 18, 20 des Portals 10 sind
ohne zwischengeschaltete Gelenke mit dem Träger 16 verbunden.
Das Fortlassen solcher Gelenke, die ansich der Kompensation von
beispielsweise thermischen Ausdehnungen oder unerwarteten Bewegungszuständen dienen
sollen, ist bei dem Portal 10 möglich, da die Lagereinrichtungen 18, 20 selbst in
der Lage sind, eine Rotationsbewegung um eine vertikale Achse auszuführen. Während die
Lagereinrichtungen 118, 120 (siehe 6)
bei dem Portal 110 des Standes der Technik bezüg lich der
Schienen 112, 114 im Hinblick auf eine solche
Drehbewegung in praktisch unveränderlicher
Position angeordnet sind, gestatten die Lagereinrichtungen 18, 20 des
erfindungsgemäßen Portals 10 eine
solche Bewegung. Die Bewegung wird auch zunächst nicht durch das eine horizontale
Kraft aufnehmende Luftlagerelement 26 und das Vorspannluftlagerelement 28 verhindert,
da die Luftlagerelemente allgemein über Kugelgelenke mit den sie
tragenden Bauteilen verbunden sind. Um die Bewegungsfreiheit noch
weiter zu erhöhen,
kann vorgesehen sein, dass die Nase 44 zum Halten des Vorspannluftlagerelementes 28 elastisch
an dem Träger 16 befestigt
ist.