DE102016101695B4

DE102016101695B4 - Positioniervorrichtung mit einer über Luftlager lateral verschiebbaren und ausgerichteten Halteplatte

Info

Publication number: DE102016101695B4
Application number: DE102016101695.0A
Authority: DE
Inventors: Torsten Erbe; Markus Augustin; Cornel Schmidt
Original assignee: SOMAG AG JENA; Jenoptik Optical Systems GmbH
Current assignee: SOMAG AG JENA; Jenoptik Optical Systems GmbH
Priority date: 2015-02-02
Filing date: 2016-02-01
Publication date: 2020-10-01
Anticipated expiration: 2036-02-02
Also published as: DE102016101695A1

Abstract

Positioniervorrichtung mit einer über Luftlager (2, 3) lateral verschiebbaren und ausgerichteten Halteplatte (1), mit einer Bodenfläche (1.1) und einer hierzu parallelen Deckfläche (1.2), bestehend aus mindestens zwei vertikal und mindestens zwei horizontal wirkenden, mit der Halteplatte (1) in Verbindung stehenden Luftlagern (2, 3) sowie wenigstens einer an einer Tragstruktur ausgebildeten horizontalen Gleitfläche (4), wobei die Halteplatte (1) durch die mindestens zwei vertikal wirkenden Luftlager (2) über ein Luftpolster mit einem vertikalen Abstand (a) zu der wenigstens einen horizontalen Gleitfläche (4) gehalten wird, dadurch gekennzeichnet, dassdie Halteplatte (1) vertikal angeordnet ist und an der Tragstruktur wenigstens eine ebene vertikale Gleitfläche (5) sowie wenigstens eine parallel zu der wenigstens einen vertikalen Gleitfläche (5) in einer Hilfsführung (15) horizontal verschiebbare Federeinheit (6) vorhanden sind, wobei die wenigstens eine Federeinheit (6) und die wenigstens zwei horizontal wirkenden Luftlager (3) an der Bodenfläche (1.1) befestigt sind und im entgegengesetzten Richtungssinn wirken undauf der Deckfläche (1.2) erste Befestigungsmittel (7) zum Halten eines Objektes (8) vorhanden sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Positioniervorrichtung mit einer über Luftlager lateral verschiebbaren und ausgerichteten Halteplatte, wie sie gattungsgemäß aus der US 4 852 267 A bekannt ist.
Die Charakterisierung, Vermessung oder auch Präzisionsbearbeitung eines Objektes (Nutzlast) in Prüf-, Mess- oder Bearbeitungsvorrichtungen (nachfolgend nur Bearbeitungsvorrichtung) soll häufig in einer Raumlage erfolgen, wie sie der späteren Einbaulage des Objektes in einer Vorrichtung entspricht. Diese Raumlage gleich der späteren Einbaulage kann nicht immer durch ein horizontales Aufstellen eingenommen werden, sondern muss oft hängend erfolgen. Bei dem Objekt kann es sich hierbei zum Beispiel um Lichtquellen, Detektoren und Sensoren handeln, die für ein zu vermessendes Objektiv in vertikaler Einbaulage in dessen Eintritts- und Austrittsflächen lateral frei positioniert und damit seitlich gefasst und hängend gehalten werden müssen.
Zur hängenden, vertikalen Anordnung eines Objektes im Raum bedarf es einer Haltevorrichtung mit einer Montagebasis, nachfolgend Halteplatte, die vertikal angeordnet ist, um unmittelbar an dieser oder mittelbar über einen Ausleger das Objekt seitlich befestigen zu können.
Damit das auf der Halteplatte angeordnete Objekt in eine Bearbeitungsposition innerhalb der Bearbeitungsvorrichtung lateral zugestellt oder auch während des Bearbeitungsprozesses lateral verstellbar ist, muss die Haltevorrichtung eine Positioniervorrichtung sein, mit der die vertikal angeordnete Halteplatte lateral verschiebbar ist.
Für bestimmte Bearbeitungsprozesse ist es erforderlich, die Lage des Objektes auf der Halteplatte während des Bearbeitungsprozesses zu verändern, sodass sich die Schwerpunktlage des Objektes auf der Halteplatte verändert. Das Objekt stellt dann eine sogenannte Wanderlast dar. Hiergegen soll die Führung der Halteplatte, die dessen laterale Verschiebung zulässt, möglichst unempfindlich sein, das heißt die Führungsgenauigkeit soll hiervon nahezu unbeeinträchtigt bleiben.
Im Sinne der Erfindung werden nachfolgend die Begriffe „angeordnet“ und „ausgerichtet“ wie folgt verstanden:

Vertikal bzw. horizontal „angeordnet“ heißt, dass eine bevorzugte Achse eines Bauteils, z. B. einer Halteplatte, grundsätzlich vertikal bzw. horizontal verläuft, d. h. die bevorzugte Achse kann gegenüber einer Vertikalen bzw. Horizontalen eine Winkelabweichung, auch größer einer zulässigen Toleranz, aufweisen.

Vertikal bzw. horizontal „ausgerichtet“ heißt, dass die bevorzugte Achse maximal eine Winkelabweichung gegenüber der Vertikalen bzw. Horizontalen aufweist, die innerhalb einer zulässigen Toleranzgrenze liegt, was durch spezielle Maßnahmen erreicht wird.
Insbesondere, wenn das Objekt optisch zu vermessen ist, reicht eine hängende vertikale Anordnung nicht aus, vielmehr bedarf es auch einer vertikalen und horizontalen Ausrichtung. Dies kann im Sub-µm-Bereich, z. B. mit einer maximalen Abweichung von rund 100 nm bzw. 2 Winkelsekunden, sein, wobei häufig das Gewicht des Objektes im Bereich von mehreren kg, z. B. 500 kg, liegen kann und auch eine sogenannte Wanderlast sein kann.
In horizontaler Richtung lässt sich die Ausrichtung des Objektes und dessen horizontale laterale Verschiebung im ausgerichteten Zustand durch die Kombination von Luftlagern und Linearmotoren realisieren.
Eine Übertragung auf die vertikale Richtung ist aufgrund der durch die Schwerpunktlage außerhalb der Führungsebene und die daraus resultierenden Kippmomente schwierig und erfordert zumindest zwei sich gegenüberliegende, das Objekt zwischen sich einschließende vertikale Laufflächen, da hier die Gewichtskraft des Objektes nicht zur Wirkung kommt.
Des Weiteren ist in der vertikalen Richtung zu beachten, dass das Objekt häufig genügend Arbeitsraum zur Wand oder zu anderen Maschinen besitzen muss, sodass das Objekt nicht unmittelbar an der Halteplatte, sondern an einem entsprechend langen Ausleger/Balkon von mehreren Millimetern bis zu einem Meter montiert wird, dessen Masse und das sich daraus ableitende Moment samt der ggf. unterschiedlichen Belastung kompensiert werden muss.
In der EP 0 380 755 A1 ist eine Koordinatenmessmaschine mit einer Transportvorrichtung, eine Luftlagerführung aufweisend, offenbart. Die Transportvorrichtung enthält eine Basis, bestehend aus einer Granitplatte und einem Paar darauf befestigter, nach innen gerichteter, L-förmiger Führungsschienen. Der Fuß der Führungsschienen weist jeweils eine innere und eine äußere zueinander parallele Führungsfläche auf, an denen mit einem Wagen verbundene Luftlager horizontal gleiten können. Die Luftlager wirken in entgegengesetztem Richtungssinn in vertikaler Richtung, sodass eine Längsachse des fest mit dem Wagen verbundenen Säulenaufbaus exakt vertikal ausgerichtet ist. Hier nicht explizit erwähnt, aber für einen Fachmann naheliegend sind die Luftlager symmetrisch um die Längsachse, die bevorzugt durch den gemeinsamen Schwerpunkt von Wagen und Säulenaufbau verläuft, angeordnet.
Eine aus der US 7 636 170 B1 bekannte Messvorrichtung weist einen horizontal angeordneten, schweren Granittisch als stabile Basis auf. Eine an einer horizontalen Linearachse auf Luftlagern gleitende Brücke ist als Träger für weitere Linearachsen auf der Tischoberfläche aufgesetzt. Die Brücke stützt sich auf zwei Säulen. Eine erste Säule weist an ihrem Fuß ein erstes horizontal auf der Tischoberfläche gleitendes Luftlager auf. Eine zweite Säule umgreift an ihrem Fuß einen auf der Tischoberfläche aufgesetzten Führungsbalken, an dem sie sich mit mehreren horizontal und vertikal wirkenden Luftlagern abstützt. Die Brücke kann dadurch leichtgängig und hochgenau in einem Freiheitsgrad bewegt werden. Eine vertikale Aufnahme von hängenden Lasten ist nicht vorgesehen.
Aus der vorgenannten US 4 852 267 A ist eine Koordinatenmessmaschine mit einem horizontal angeordneten, über Luftlager horizontal und vertikal ausgerichteten Tisch bekannt. Der Tisch ist aus einer Steinplatte gefertigt, das heißt, er weist ein hohes Gewicht auf und ist über drei Stützen auf einer Basis aufgestellt. Der Tisch wird von einem Portal mit vertikalen Auslegern überspannt, an denen in Höhe des Tisches sich gegenüberliegende C-förmige, über den Tisch ragende Fußteile angeordnet sind. In den Fußteilen sind über Justierschrauben zustellbare Luftlager angeordnet, die teilweise in vertikaler und teilweise in horizontaler Richtung den Tisch abstützen. Über die Luftlager kann der Tisch in einer exakten horizontalen Position gehalten werden. Der hier offenbarte Tisch ist für eine horizontale Anordnung im Raum vorgesehen und daher nur für die Aufnahme von Objekten geeignet, die liegend oder stehend auf dem Tisch angeordnet werden. Man kann auch hier unterstellen, dass die vertikal wirkenden Luftlager bevorzugt symmetrisch um eine durch den Schwerpunkt des Tisches verlaufende Längsachse angeordnet sind.
In der DE 41 10 344 A1 ist eine Bewegungsvorrichtung offenbart, mit der mehrere Objekte auf einer vertikalen Wandfläche kontaktlos bewegt und an beliebiger Stelle seitlich gespannt werden können. Die vertikale Wandfläche ist eine ebene Halteplatte, an der auf einem Druckluftpolster gleitende Befestigungsscheiben geführt werden. Das Spannen der Befestigungsscheiben auf der Halteplatte wird durch Anlegen eines Vakuums realisiert. Die Befestigungsscheiben dienen als Träger für die in der Bewegungsvorrichtung aufzunehmenden Objekte. Um die Befestigungsscheiben gegen das Herunterfallen zu sichern und um die Gewichtskraft der Befestigungsscheiben aufzunehmen, sind an der Rückseite der Halteplatte Gegengewichte angeordnet. Die Gegengewichte sind mit einem über Umlenkrollen geführten Seil mit den Befestigungsscheiben verbunden. Für die horizontale Beweglichkeit der Befestigungsscheiben sind die Umlenkrollen im Bereich der Halteplatte auf horizontalen Gleitschienen verschiebbar gelagert. Eine vertikale Aufnahme von hängenden Lasten ist mit der Bewegungsvorrichtung prinzipiell möglich. Das Prinzip des Aufbaus der Vorrichtung und der horizontalen Führung der Befestigungsscheiben erlaubt jedoch keine hohe Stabilität und Positioniergenauigkeit.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Positioniervorrichtung mit einer über Luftlager lateral verschiebbaren und ausgerichteten Halteplatte zu finden, bei der die Halteplatte vertikal angeordnet ist, um daran Objekte mittelbar oder unmittelbar hängend im Raum montieren zu können.
Diese Aufgabe wird für eine Positioniervorrichtung mit einer über Luftlager lateral verschiebbaren und ausgerichteten Halteplatte, mit einer Bodenfläche und einer hierzu parallelen Deckfläche, bestehend aus mindestens zwei vertikal wirkenden, an einer senkrecht zur Bodenfläche angeordneten Seitenfläche der Halteplatte befestigten Luftlagern und mindestens zwei horizontal wirkenden, an der Bodenfläche befestigten Luftlagern, gelöst. Gleichwohl sind in Summe fünf Luftlager notwendig, um eine Luftlagerführung zu bilden, die eine Bewegung der Luftlager in genau eine Richtung erlaubt. Die Positioniervorrichtung weist eine an einer Tragstruktur oder Bodenplatte ausgebildete horizontale Gleitfläche auf, entlang derer die vertikal angeordnete Halteplatte auf den mindestens zwei vertikal wirkenden Luftlagern gleiten kann. Dabei wird die Halteplatte mit einem vertikalen Abstand zu der wenigstens einen horizontalen Gleitfläche gehalten, der durch die geometrische Ausdehnung des Luftlagers in Richtung seiner Längsachse und einer Dicke des zwischen diesem und der horizontalen Gleitfläche gebildeten Lustpolsters bestimmt ist. Die vertikalen Luftlager tragen das Gewicht der Halteplatte und gegebenenfalls eines daran montierten Objektes sowie gegebenenfalls eines Ausgleichsgewichtes hierzu.
Die Positioniervorrichtung weist des Weiteren wenigstens eine ebene vertikale Gleitfläche an der Tragstruktur oder einer Seitenwand auf, entlang derer die horizontal wirkenden Luftlager gleiten können. Da auf diese horizontal wirkenden Luftlager keine Gewichtskraft wirkt, muss eine Gegenkraft für die Luftlager anderweitig erzeugt werden. Erfindungsgemäß wird hierfür wenigstens eine Federeinheit verwendet. Diese ist mit einem Ende fest mit der Bodenfläche verbunden und mit dem anderen Ende über eine Hilfsführung horizontal und parallel zur vertikalen Gleitfläche an der Tragstruktur bzw. Seitenwand verschiebbar. Es kann sich hier um eine mit großem Spiel behaftete Hilfsführung handeln, die von den Luftlagern bis auf einen Freiheitsgrad entkoppelt geschleppt wird. Es sei noch erwähnt, dass der Begriff Luftlager hier, wie auch in der Beschreibung des Standes der Technik, mit seiner üblichen, jedoch technisch nicht ganz korrekten Bedeutung verwendet wird. Technisch korrekt besteht ein Luftlager, genauer ein aerostatisches Luftlager, um das es sich hier handelt, aus zwei Lagerpartnern, von denen ein Partner statisch fest eine Gleitfläche ist, an der der andere Partner, über ein Luftpolster von diesem getrennt, gleitend geführt wird. Dieser zweite Partner, man könnte ihn Läufer nennen, wird in der Regel, so auch hier, zusammen mit dem Luftpolster als Luftlager bezeichnet.
Die Längsachse des wenigstens einen Luftlagers und die Wirkungsachse der wenigstens einen Federeinheit sind zueinander parallel und horizontal angeordnet, wobei das wenigstens eine Luftlager und die wenigstens eine Federeinheit im entgegengesetzten Richtungssinn wirkend die Bodenfläche über das Luftpolster in einem horizontalen Abstand zu der wenigstens einen vertikalen Gleitfläche halten.
Um auf der Deckfläche ein Objekt halten zu können, sind dort entsprechend geeignete erste Befestigungsmittel vorhanden. Diese können einen Ausleger umfassen, über den das Objekt nicht unmittelbar auf der Halteplatte, sondern in einem Abstand von dieser gehalten wird.
Um ein dem Gewicht des Objektes und gegebenenfalls des Auslegers entsprechendes Ausgleichsgewicht an der Halteplatte anbringen zu können, sind vorteilhaft auf der Bodenfläche zweite Befestigungsmittel zum Anbringen eines Ausgleichsgewichtes vorhanden. Damit kann hier jeweils ein Ausgleichsgewicht montiert werden, sodass der Schwerpunkt der mit dem Objekt bestückten Halteplatte wenigstens nahe dem Schwerpunkt der unbestückten Halteplatte liegt. Idealerweise fallen der Schwerpunkt der unbestückten Halteplatte und der bestückten Halteplatte zusammen.
Für die horizontale Verschiebbarkeit der wenigstens einen Federeinheit ist die Hilfsführung vorteilhaft durch eine Führungsschiene an der Tragstruktur bzw. der Seitenwand und einen Schlitten gebildet, der an der wenigstens einen Führungsschiene geführt ist. Der Schlitten kann auf oder in der Führungsschiene gleitend oder rollend geführt sein. Es werden keine hohen Anforderungen an die Führungsgenauigkeit gestellt, da diese durch die Luftlagerführung bestimmt wird.
Um die vertikal wirkenden Luftlager mit dem Gewicht der bestückten bzw. unbestückten Halteplatte ausschließlich in Richtung der Längsachsen zu beaufschlagen, ist es von Vorteil, wenn die Längsachsen der mindestens zwei vertikal wirkenden Luftlager in einer Ebene mit einer durch den Schwerpunkt der Halteplatte verlaufenden Vertikalen angeordnet sind. Vorteilhaft sind die Längsachsen der vertikal wirkenden Luftlager symmetrisch zu dieser Vertikalen angeordnet, wobei bei einer ungeraden Anzahl von vertikal wirkenden Luftlagern eine der Längsachsen vorteilhaft mit dieser Vertikalen zusammenfällt.
Ebenso ist es von Vorteil, wenn die Längsachsen der mindestens zwei horizontal wirkenden Luftlager symmetrisch um eine durch den Schwerpunkt der Halteplatte verlaufende Horizontale angeordnet sind. Idealerweise sind drei horizontal wirkende, gleich dimensionierte Luftlager ein gleichseitiges Dreieck beschreibend angeordnet, wobei zwei von ihnen auf einer gemeinsamen Horizontalen liegen. Die drei horizontal wirkenden Luftlager sind dann vorteilhaft zwei vertikalen Gleitflächen, die vertikal übereinander angeordnet sind, zugeordnet.
Grundsätzlich ist eine einzige Federeinheit ausreichend. Es ist jedoch von Vorteil, wenn jedem der wenigstens zwei horizontal wirkenden Luftlager wenigstens eine Federeinheit zugeordnet ist. Im einfachsten Fall umfasst die Federeinheit eine oder mehrere Federn, vorteilhafterweise Spiralfedern. Sie sind vorteilhaft weich und stark vorgespannt, sodass bei einer Änderung des Federweges, infolge einer Führungsabweichung der Hilfsführung, die Änderung der Vorspannung und damit die Änderung der Federkraft vergleichsweise gering, gemessen an der Vorspannung, ist. Es kann jedem horizontal wirkenden Luftlager auch mehr als nur eine Federeinheit zugeordnet sein, z. B. drei Federeinheiten, die, jeweils um ein Luftlager symmetrisch verteilt, mit der Bodenfläche verbunden sind.
Nachfolgend soll die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und Zeichnungen näher erläutert werden.
Hierzu zeigen:

1 eine Prinzipskizze einer ersten Ausführung einer Positioniervorrichtung,
2 eine Prinzipskizze einer zweiten Ausführung einer Positioniervorrichtung,
3 eine Prinzipskizze einer dritten Ausführung einer Positioniervorrichtung und
4 eine Prinzipskizze einer Positioniervorrichtung mit bestückter Halteplatte.

Grundsätzlich enthält eine erfindungsgemäße Positioniervorrichtung, wie in 1 prinzipiell gezeigt, aufeinander senkrecht stehende Gleitflächen, die an einer Tragstruktur, z. B. in Form einer Bodenplatte 4.0 und einer hierzu fest angeordneten Seitenwand 5.0, ausgebildet und aufgrund ihrer Anordnung im Raum nachfolgend als horizontale bzw. vertikale Gleitflächen 4, 5 bezeichnet werden. Es gibt genau eine horizontale und wenigstens eine vertikale Gleitfläche 4, 5. An diesen Gleitflächen 4, 5 wird eine vertikal angeordnete Halteplatte 1 lateral gleitend über Luftlager 2, 3 geführt. Die Gleitflächen 4, 5 sind sehr ebene und biegesteife Oberflächen, z. B. aus Granit, Spezialglas oder Metall, und bilden gemeinsam mit den Luftlagern 2, 3 eine horizontale und eine vertikale Luftlagerführung.
Es ist ein Antrieb 13 vorhanden, mittels dem eine translatorische Bewegung der Halteplatte 1 entlang eines Verschiebeweges in einer Verschieberichtung R ausgeführt werden kann.
Die Halteplatte1 weist eine Deckfläche 1.2, eine hierzu parallele Bodenfläche 1.1 und dazu senkrecht angeordnete, den Umfang der Halteplatte 1 beschreibende Seitenflächen 1.3 auf. Die Seitenflächen 1.3 sind plattentypisch schmal im Verhältnis zur Breite (in Verschieberichtung R) und zur Höhe, in vertikaler Richtung, der Halteplatte 1. Vorteilhaft sind die an der horizontalen Gleitfläche 4 zugewandten Seitenfläche 1.3 befestigten vertikal wirkenden Luftlager 2 nebeneinander auf einer Geraden in Verschieberichtung R angeordnet, wobei deren Längsachsen 2.1 in einer Ebene liegen, in der auch der Schwerpunkt SP_H der Halteplatte 1 liegt. Die so gebildete horizontale Luftlagerführung weist mindestens zwei vertikal wirkende Luftlager 2 auf. Sie tragen das gesamte Gewicht der Halteplatte 1. Damit die vertikal wirkenden Luftlager 2 vorteilhaft jeweils mit einem gleichen Anteil der Gewichtskraft G beaufschlagt werden und sich damit ein gleich dickes Luftkissen zur horizontalen Gleitfläche 4 bildet, sind genau zwei vertikal wirkende Luftlager 2 vorhanden, die symmetrisch zum Schwerpunkt SP_H angeordnet sind.
Damit vorteilhaft der resultierende Schwerpunkt SP auch einer bestückten Haltplatte 1 unverändert in dieser Ebene verbleibt, wird eine Bestückung an der Deckfläche 1.2 durch ein Ausgleichsgewicht 10 an der Bodenfläche 1.1 kompensiert. Die Bestückung entspricht einem an der Deckfläche 1.2 montierten Objekt 8 und gegebenenfalls z. B. einem Ausleger, über den das Objekt 8 mittelbar an der Deckfläche 1.2 befestigt ist. Bleibt die Lage des resultierenden Schwerpunktes SP während des Bearbeitungsprozesses des Objektes 8 konstant, bleiben auch die jeweils auf die einzelnen vertikal wirkenden Luftlager 2 wirkenden Anteile der Gewichtskraft G konstant, womit eine maximale Höhenabweichung über die Führungslänge des Verschiebeweges entlang der Verschieberichtung R im Sub-µm-Bereich eingehalten wird.
Da die Positioniervorrichtung mit vertikal wirkenden Luftlagern 2, die entlang nur einer Geraden angeordnet sind, nicht stabil ist, gibt es zusätzlich zu der horizontalen Luftlagerführung eine vertikale Luftlagerführung. Sie wird gebildet aus wenigstens einer vertikalen Gleitfläche 5 und wenigstens zwei daran gleitenden horizontal wirkenden Luftlagern 3. Vorteilhaft weist die vertikale Luftlagerführung eine zweite vertikale Gleitfläche 5 auf, wobei die vertikalen Gleitflächen 5 bevorzugt in einer gleichen Ebene liegen, an der ein drittes horizontal wirkendes Luftlager 3 gleitet. Damit diese horizontal wirkenden Luftlager 3 einen definierten Abstand zu den vertikalen Gleitflächen 5 halten, muss es eine Kraft geben, die diese an die Tragstruktur bzw. die Seitenwand 5.0 zieht. Dies wird erfindungsgemäß durch mindestens eine vorgespannte Federeinheit 6 realisiert. Vorteilhaft ist jedem horizontal wirkenden Luftlager 3 eine Federeinheit 6 zugeordnet. Die Federeinheiten 6 sind mit einem Ende mit der Halteplatte 1 fest verbunden und mit dem anderen Ende mit einer Hilfsführung 15 mit der Seitenwand 5.0 verschiebbar verbunden, z. B. mit einem Schlitten 12 bzw. einem Kugellagerwagen auf einer Führungsschiene 11 einer Kugellagerführung. Da selbst eine Kugellagerführung Positionierungenauigkeiten im zweistelligen µm-Bereich aufweist, muss beachtet werden, dass die Federeinheiten 6 keine lateralen Kräfte übertragen dürfen. Dies wird intrinsisch durch Federn, insbesondere Spiralfedern erreicht, weil diese in lateraler Richtung frei beweglich sind. Die Federeinheiten 6 sind so dimensioniert, dass die Ungenauigkeiten der mechanischen Führung kompensiert werden. Das heißt, es werden für die Federeinheiten 6 Federn mit einer flachen Federkennlinie verwendet und diese werden so stark vorgespannt, dass eine Änderung des Federweges aufgrund der mechanischen Ungenauigkeiten der Führung eine maximal unerhebliche Änderung der Federkraft bewirkt. Anwendungsfallspezifisch ist auch eine Reihenschaltung von vielen Federn denkbar. Damit werden die horizontal wirkenden Luftlager 3 quasi mit konstanter Kraft über den Verschiebeweg an die Seitenwand 5.0, an der die vertikale Gleitfläche 5 ausgebildet ist, gezogen und die Dicke der Luftpolster der horizontal wirkenden Luftlager 3 bleibt unverändert. Da die horizontal wirkenden Luftlager 3 unabhängig von der Gewichtskraft G der bestückten oder unbestückten Halteplatte 1 wirken, ist grundsätzlich auch die Positioniergenauigkeit senkrecht zur Vertikalen V₁ unbeeinflusst von Verlagerungen des resultierenden Schwerpunktes SP, z. B. bei Wanderlasten, solange die Verlagerung innerhalb einer Ebene stattfindet, in der auch die Längsachsen 2.1 der vertikal wirkenden Luftlager 2 angeordnet sind. Jedoch auch wenn bei Wanderlasten der resultierende Schwerpunkt SP der bestückten Halteplatte 1 aus dieser Ebene auswandert, womit die Gewichtskraft G ein Moment bewirkt, welches dann auch auf die Federeinheiten 6 wirkt und eine zusätzliche Federwegänderung verursacht, bleibt die Federkraft nahezu konstant.
Um auch die Positioniergenauigkeit in horizontaler Richtung für Wanderlasten zu verbessern, können auch den vertikal wirkenden Luftlagen 2 Federeinheiten 6 zugeordnet sein. Diese werden dann so dimensioniert, dass die Änderung der auf die vertikal wirkenden Anteile der Gewichtskraft G vernachlässigbar im Vergleich zu den Federkräften der Federeinheiten 6 sind.
Jede Federeinheit 6 kann aus vielen einzelnen Federn bestehen. Die Federn werden so dimensioniert und vorgespannt, dass sie eine Federkraft bewirken, mit der eine optimale Steifigkeit der Luftlager 2, 3 entsteht. Die Steifigkeit ist möglichst groß, gegenüber den im Betrieb auftretenden Gewichtskräften G und -momenten, gewählt. Antriebe 13 und gegebenenfalls Messsysteme der Positioniervorrichtung sind vorteilhaft nahe dem resultierenden Schwerpunkt SP bzw. in der Nähe des sich ggf. dynamisch verschiebenden Schwerpunktes bei Wanderlasten anzuordnen.
Die Dimensionierung der Luftlager 2, 3 orientiert sich vorteilhaft an den im Betrieb auftretenden Kräften; die Masse des Luftlagers 2, 3 kann dabei gering sein, womit sich seine Dynamik erhöht, da die Vorspannung des Luftlagers 2, 3 nicht durch Masse oder vergleichsweise schwere magnetische Elemente erfolgt, sondern durch Federeinheiten 6, bestehend aus Federn, die ggf. als Normteile sogar einen Kostenvorteil bieten.
In 2 ist eine zweite Ausführung einer Positioniervorrichtung in Form einer Prinzipskizze gezeigt. Um den Schwerpunkt SP_H der Halteplatte 1 sind drei horizontal wirkende Luftlager 3 symmetrisch verteilt angeordnet. Jedem der horizontal wirkenden Luftlager 3 ist eine Federeinheit 6 zugeordnet, welche jeweils, eine gedachte Verbindungsgerade mit dem Schwerpunkt SP_H der Halteplatte 1 schneidend, nahe dem jeweiligen Luftlager 3 angeordnet ist.
Bei dem in 3 gezeigten dritten Ausführungsbeispiel einer Positioniervorrichtung sind den horizontal wirkenden Luftlagern 3 jeweils drei um diese symmetrisch verteilt angeordnete Federeinheiten 6 zugeordnet und es ist eine zusätzliche Federeinheit 14 vorhanden, die den zwei vertikal wirkenden Luftlagern 2 zugeordnet ist.
In 4 sind ergänzend der Schwerpunkt SPo des Objektes 8, der Schwerpunkt SP_A des Ausgleichsgewichtes 10 und der Schwerpunkt SP_H der Halteplatte 1 dargestellt.
Das Ausgleichsgewicht 10 wird so dimensioniert, dass der resultierende Schwerpunkt SP mit dem Schwerpunkt SP_H der Halteplatte 1 zusammenfällt.
Eine erfindungsgemäße Positioniervorrichtung ist grundsätzlich auch für einen sogenannten Überkopfbetrieb geeignet, wenn den vertikal wirkenden Luftlagern 2 ebenfalls wenigstens eine Federeinheit 6 zugeordnet ist.
Eine erfindungsgemäße Positioniervorrichtung ist vorteilhaft anwendbar, wenn hochgenaue Positionierungen von Objekten 8 mit hohem Gewicht innerhalb eines translatorischen Bewegungsbereichs mit einem Freiheitsgrad gefragt sind, wie z. B. Ultrapräzisionssysteme, Präzisionsmaschinen oder Koordinatenmessmaschinen.
Dabei kann über große Bewegungsbereiche, z. B. von 1,30 m, ein lateraler Querfehler, das heißt, eine Abweichung von der Vertikalen V₁ von 100 nm bzw. Winkelverkippung von kleiner 2 Winkelsekunden eingehalten werden. Das Objekt 8 kann in großer Höhe, z. B. in einer Höhe von 1,7 m, an der Halteplatte 1 montiert werden, wobei es ein Gewicht von einigen 100 g bis hin zu Hunderten von kg aufweisen kann. Über die genaue Positionierung der Halteplatte 1, das heißt die horizontale und insbesondere vertikale Ausrichtung, wird folglich ein daran montiertes Objekt 8 ebenfalls im Raum ausgerichtet. Die Positioniervorrichtung ist besonders vorteilhaft einsetzbar, wenn das Objekt 8 an der Halteplatte 1 beweglich befestigt ist und sich der Schwerpunkt SPo des Objektes 8 während des Bearbeitungsprozesses verlagert. Eine solche Verlagerung des Schwerpunktes SPo hat zumindest auf die vertikale Positioniergenauigkeit kaum eine Auswirkung, da die wirkenden Federkräfte hiervon nahezu unbeeinflusst wirken, sodass die Gegenkraft zu den horizontal wirkenden Luftlagern 3 keine beachtliche Veränderung erfährt.
Die Abmaße der Positioniervorrichtung können raumsparend auf eine Tiefe von 250 mm begrenzt werden.
Bezugszeichenliste

1: Halteplatte
1.1: Bodenfläche
1.2: Deckfläche
1.3: Seitenfläche
2: vertikal wirkendes Luftlager
2.1: Längsachse (des vertikal wirkenden Luftlagers 2)
3: horizontal wirkendes Luftlager
3.1: Längsachse (des horizontal wirkenden Luftlagers 3)
4: horizontale Gleitfläche
4.0: Bodenplatte
5: vertikale Gleitfläche
5.0: Seitenwand
6: Federeinheit
6.1: Wirkungsachse der Federeinheit 6
7: erstes Befestigungsmittel
8: Objekt
9: zweites Befestigungsmittel
10: Ausgleichsgewicht
11: Führungsschiene
12: Schlitten
13: Antrieb
14: zusätzliche Federeinheit
15: Hilfsführung
a: vertikaler Abstand
b: horizontaler Abstand
SP_H: Schwerpunkt (der Halteplatte 1)
SPo: Schwerpunkt (des Objektes 8)
SP_A: Schwerpunkt (des Ausgleichsgewichtes 10)
SP: resultierender Schwerpunkt (der bestückten Halteplatte 1)
G: Gewichtskraft
V₁: Vertikale (durch den Schwerpunkt SPH der Haltplatte 1)
H₁: Horizontale (durch den Schwerpunkt SP_H der Halteplatte 1)
R: Verschieberichtung

Claims

Positioniervorrichtung mit einer über Luftlager (2, 3) lateral verschiebbaren und ausgerichteten Halteplatte (1), mit einer Bodenfläche (1.1) und einer hierzu parallelen Deckfläche (1.2), bestehend aus mindestens zwei vertikal und mindestens zwei horizontal wirkenden, mit der Halteplatte (1) in Verbindung stehenden Luftlagern (2, 3) sowie wenigstens einer an einer Tragstruktur ausgebildeten horizontalen Gleitfläche (4), wobei die Halteplatte (1) durch die mindestens zwei vertikal wirkenden Luftlager (2) über ein Luftpolster mit einem vertikalen Abstand (a) zu der wenigstens einen horizontalen Gleitfläche (4) gehalten wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Halteplatte (1) vertikal angeordnet ist und an der Tragstruktur wenigstens eine ebene vertikale Gleitfläche (5) sowie wenigstens eine parallel zu der wenigstens einen vertikalen Gleitfläche (5) in einer Hilfsführung (15) horizontal verschiebbare Federeinheit (6) vorhanden sind, wobei die wenigstens eine Federeinheit (6) und die wenigstens zwei horizontal wirkenden Luftlager (3) an der Bodenfläche (1.1) befestigt sind und im entgegengesetzten Richtungssinn wirken und auf der Deckfläche (1.2) erste Befestigungsmittel (7) zum Halten eines Objektes (8) vorhanden sind.
Positioniervorrichtung mit einer über Luftlager (2, 3) lateral verschiebbaren und ausgerichteten Halteplatte (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Bodenfläche (1.1) zweite Befestigungsmittel (9) zum Anbringen eines Ausgleichsgewichtes (10) vorhanden sind.
Positioniervorrichtung mit einer über Luftlager (2, 3) lateral verschiebbaren und ausgerichteten Halteplatte (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Längsachsen (2.1) der mindestens zwei vertikal wirkenden Luftlager (2) in einer Ebene mit einer durch den Schwerpunkt (SP_H) der Halteplatte (1) verlaufenden Vertikalen (V₁) angeordnet sind.
Positioniervorrichtung mit einer über Luftlager (2, 3) lateral verschiebbaren und ausgerichteten Halteplatte (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Längsachsen (3.1) der mindestens zwei horizontal wirkenden Luftlager (3) symmetrisch um eine durch den Schwerpunkt (SP_H) der Halteplatte (1) verlaufende Horizontale (H₁) angeordnet sind.
Positioniervorrichtung mit einer über Luftlager (2, 3) lateral verschiebbaren und ausgerichteten Halteplatte (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass jedem der wenigstens zwei horizontal wirkenden Luftlager (3) wenigstens eine Federeinheit (6) zugeordnet ist.
Positioniervorrichtung mit einer über Luftlager (2, 3) lateral verschiebbaren und ausgerichteten Halteplatte (1) nach Anspruch 1 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Federeinheit (6) mehrere parallel angeordnete Spiralfedern umfasst.
Positioniervorrichtung mit einer über Luftlager (2, 3) lateral verschiebbaren und ausgerichteten Halteplatte (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass genau drei horizontal wirkende Luftlager (3) vorhanden sind, die verteilt auf zwei vertikale Gleitflächen (5), die vertikal übereinander angeordnet sind, mit diesen in Verbindung stehen.
Positioniervorrichtung mit einer über Luftlager (2, 3) lateral verschiebbaren und ausgerichteten Halteplatte (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine parallel zu der einen horizontalen Gleitfläche (4) horizontal verschiebbare zusätzliche Federeinheit (14) vorhanden ist, wobei die wenigstens eine zusätzliche Federeinheit (14) und die wenigstens zwei vertikal wirkenden Luftlager (2) an einer Seitenfläche (1.3) der Halteplatte (1) befestigt sind und im gleichen Richtungssinn wie eine Gewichtskraft (G) wirkend die Seitenfläche (1.3) über ein Luftpolster in dem vertikalen Abstand (a) zu der wenigstens einen horizontalen Gleitfläche (4) halten.
Positioniervorrichtung mit einer über Luftlager (2, 3) lateral verschiebbaren und ausgerichteten Halteplatte (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine zusätzliche Federeinheit (14) so dimensioniert ist, dass die wirkende Federkraft größer der Gewichtskraft (G) ist.