DE19643518A1 - Linearantrieb und Verfahren zur Herstellung einer Passiveinheit eines Linearantriebs, sowie Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Linearantrieb mit einer Aktiv­ einheit, die Elemente zur Erzeugung eines veränderlichen Magnetflusses besitzt; einer Passiveinheit, die magnetisier­ bare oder magnetische Bereiche umfaßt; einer Führungseinheit, die eine reibungsarme Bewegung zwischen Aktiv- und Passivein­ heit gestattet; und einer Ansteuereinheit, mit der der Magnetfluß veränderbar ist.

Weiterhin betrifft diese Erfindung ein Verfahren zur Herstel­ lung einer Passiveinheit eines Linearantriebs, welche aus einem Leichtbaugrundkörper aus Verbundwerkstoff mit magneti­ sierbaren oder magnetischen Bereichen besteht.

Darüber hinaus betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Herstellung einer Passiveinheit eines Linearantriebs, welche aus einem Leichtbaugrundkörper aus Verbundwerkstoff mit magnetisierbaren oder magnetischen Bereichen besteht.

In letzter Zeit kommen insbesondere in der Feinmechanik und Gerätetechnik immer häufiger Linearmotoren zum Einsatz, deren wesentlicher Vorteil in der Integration mehrerer für Antriebseinheiten erforderlicher Funktionen in wenigen Bau­ einheiten besteht. Derartige Linearantriebe besitzen, so wie andere Motoren, die nach dem elektromagnetischen Prinzip arbeiten, eine Aktiveinheit und eine Passiveinheit. Die Krafterzeugung wird durch das Zusammenwirken dieser beiden Einheiten erreicht, wobei sowohl die Aktiveinheit als auch die Passiveinheit das sich gegenüber der jeweils anderen Einheit bewegende Motorteil sein kann. Bei geeigneter konstruktiver Gestaltung, wie sie häufig bei Linearantrieben anzutreffen ist, übernehmen die Krafterzeugungselemente gleichzeitig die Funktion der Führung der sich bewegenden Teile und stellen zudem das Gestellsystem für beliebige Anwendungen dar.

Ein derartiger Linearantrieb ist in der deutschen Offenle­ gungsschrift DE 32 08 380 A1 beschrieben. Hier handelt es sich um einen bürstenlosen Gleichstromlinearmotor, bei welchem in der Aktiveinheit Permanentmagneten und Elektromag­ neten zur Erzeugung eines steuerbaren Magnetflusses kombi­ niert sind, während die Passiveinheit aus einem mit Polzähnen versehenen Weicheisenstreifen besteht. Zur Vermeidung von Wiederholungen wird der Inhalt dieser Schrift ausdrücklich in den Offenbarungsgehalt mit einbezogen und hier weitgehend auf die detaillierte Beschreibung des Funktionsprinzips derarti­ ger Linearmotoren verzichtet.

Die in der Offenlegungsschrift gezeigten Ausführungsformen setzen vorwiegend die Aktiveinheit als Läufer ein, während­ dessen die Passiveinheit den gestellfesten Teil des Motors darstellt. Zwar ist auch erwähnt, daß diese Funktionen umge­ kehrt werden können, so daß die Passiveinheit beweglich ist. In diesem Fall ist eine stabile und damit materialaufwendige Konstruktion der Passiveinheit erforderlich, da gleichzeitig Trägerfunktionen für ein Werkzeug oder ein zu bearbeitendes Werkstück übernommen werden müssen. Im Ergebnis führt dies in beiden Fällen zu beweglichen Einheiten mit relativ hoher Masse, wodurch nur geringe Beschleunigungen möglich sind und die Positionier- und Wiederholgenauigkeit aufgrund großer Trägheitskräfte nachläßt.

In der deutschen Patentschrift DE 31 28 834 ist ein Linearmo­ tor mit einem Ständer, der eine Vielzahl magnetischer Zähne mit konstantem Abstand aufweist, und einem dem Ständer über einen schmalen Spalt zugewandten Läufer beschrieben. Bezüg­ lich der Funktionsweise eines derartigen Linearmotors, insbe­ sondere eines mehrphasigen Linearmotors, wird der Inhalt dieser Schrift wiederum ausdrücklich in die Offenbarung ein­ bezogen. Der oben genannte Nachteil bekannter Linearmotoren tritt auch hier auf. Zudem sind zwischen dem Ständer und dem Läufer Führungen vorgesehen, die den Aufbau eines derartigen Linearmotors aufwendig und kompliziert werden lassen.

In die Offenbarung wird auch der Inhalt der amerikanischen Patentschrift US 4 563 602 einbezogen, in der ein Linearmotor beschrieben ist, der unter anderem eine sehr einfach aufge­ baute Passiveinheit angibt und sowohl als Einphasensynchron­ maschine als auch als Mehrphasensynchronmaschine ausgestaltet sein kann. Ebenso ist aus diesem Dokument die Möglichkeit einer Luftlagerung zwischen Aktiv- und Passiveinheit vorbe­ kannt. Der Nachteil des gezeigten Motors besteht wiederum in der hohen Masse der bewegten Einheit (hier die Aktiveinheit), wodurch unter anderem der Einsatz derartiger Motoren beschränkt ist.

Aus dem Stand der Technik ist auch bekannt, daß Linearmotoren nicht nur zur Erzeugung geradliniger Bewegungen in einer Richtung eingesetzt werden können. Beispielhaft wird hier die europäische Patentanmeldung EP 0 237 639 A1 angeführt, die eine Verwendung des Linearmotorprinzips in einem zylinderför­ mig aufgebauten Motor angibt. Damit lassen sich beispiels­ weise Bewegungen in Richtung der z-Achse realisieren.

In der Zeitschrift "antriebstechnik" 33 (1994) Nr. 7, S. 68 ist bereits ein Präzisionsdirektantrieb beschrieben. Dort ist das Funktionsprinzip eines permanentmagneterregten Zweipha­ sen-Reluktanzschrittmotors in Hybridtechnik gezeigt. Der Inhalt dieses Dokuments wird ebenfalls in die Offenbarung einbezogen, um Wiederholungen zu vermeiden.

In einer vorangegangenen Patentanmeldung des Anmelders, die veröffentlicht ist als DE 44 36 865 A1, wird ein modularer Planarläufer angegeben, der aus mehreren Modulbausteinen auf­ gebaut ist. Der Inhalt dieser Schrift wird ebenfalls in die Offenbarung einbezogen, soweit der Aufbau und die Funktions­ weise der hier nicht näher beschriebenen Antriebseinheiten betroffen ist.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die vorge­ nannten Nachteile aller bekannter Linearmotoren zu vermeiden und einen Linearantrieb zur Verfügung zu stellen, bei dem die Masse der sich bewegenden Teile stark reduziert ist.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Passiveinheit aus einem Leichtbaugrundkörper aus Verbundwerkstoff besteht, an dem die magnetisierbaren oder magnetischen Bereiche angeord­ net sind.

Ein derartig gestalteter Aufbau der Passiveinheit des Linea­ rantriebs ermöglicht die Herstellung von Antriebssystemen, die mit hohen Beschleunigungen arbeiten können, dazu keine erhöhten Antriebskräfte erfordern und gleichzeitig die Posi­ tionier- und Wiederholgenauigkeit des gesamten Antriebs­ systems verbessern.

Bei besonders vorteilhaften Ausführungsformen besteht der Leichtbaugrundkörper aus kohlefaserverstärkten oder glas­ faserverstärkten Kunststoff. Diese Materialkombinationen besitzen ein besonders günstiges Verhältnis zwischen der zu erzielenden Stabilität und der sich ergebenden Masse des Leichtbaugrundkörpers.

Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn der Leichtbaugrundkör­ per ein langgestreckter quaderförmiger Hohlkörper ist, dessen Hohlraum in einer abgewandelten Ausführungsform mit einem Füllstoff mit dämpfender Wirkung ausgefüllt sein kann. Die geometrische Form des Leichtbaugrundkörpers läßt sich dem jeweiligen Einsatzzweck des Linearantriebs aufgrund der guten Bearbeitbarkeit von Verbundwerkstoffen ohne weiteres anpas­ sen, wobei geometrische Formen, die eine hohe Steifigkeit und Stabilität bieten, vorzuziehen sind.

Bei einer zu bevorzugenden Ausführungsform sind die magneti­ sierbaren Bereiche aus Weicheisenblechen gebildet, die am Leichtbaugrundkörper angeklebt sind. Die für die Funktions­ weise des Linearantriebs erforderlichen Polzähne lassen sich in den Weicheisenblechen relativ einfach ausbilden. Durch die Klebeverbindung zwischen Weicheisenblech und Leichtbaugrund­ körper können homogene Oberflächen ohne den zu erzeugenden Magnetfluß störende Befestigungselemente ausgebildet werden. Soweit die Klebeschichten dünn gehalten werden, ist dies u. a. vorteilhaft für eine angestrebte möglichst geringe Gesamt­ masse der Passiveinheit. Die Klebstoffschichten sollten ganz allgemein so dünn wie möglich gehalten werden, um die negati­ ven Auswirkungen unterschiedlicher Ausdehnungskoeffizienten gering zu halten.

Eine weitere Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, daß die magnetisierbaren Bereiche aus kohlearmen Stählen gebildet sind. Mit Stählen wie z. B. ST 37 oder ST 33 lassen sich ver­ gleichbare Antriebsleistungen erzielen wie mit Weicheisenble­ chen. Jedoch sind kohlearme Stähle wesentlich billiger.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Linearantriebs besteht darin, daß die Aktiveinheit Elemente zur Erzeugung eines Per­ manentmagnetflusses und wenigstens einen Elektromagneten besitzt, der beim Fließen eines elektrischen Stromes einen mit dem Permanentmagnetfluß zusammenwirkenden Temporärmagnet­ fluß erzeugt, daß der sich ergebende Gesamtmagnetfluß die magnetisierbaren/magnetischen Bereiche der Passiveinheit durchsetzt, und daß der Temporärmagnetfluß durch die Ansteu­ ereinheit derart verändert wird, daß daraus eine in Bewe­ gungsrichtung wirkende Kraftkomponente resultiert. Ein Linearantrieb mit derartigen Merkmalen hat einen besonders einfachen Aufbau, mit dem sowohl die gewünschten An­ triebskräfte erzielt, als auch bei entsprechender Ansteuerung hohe Positioniergenauigkeiten erreicht werden können.

Der Vorteil einer abgewandelten Ausführungsform, bei der die Aktiveinheit eine Vielzahl von Permanentmagneten und eine Vielzahl von Elektromagneten besitzt, die in linearer Folge angeordnet sind, wobei die unmittelbar benachbarten Elek­ tromagneten mit phasenversetzten elektrischen Strömen ange­ steuert werden, besteht insbesondere in einer höheren Positioniergenauigkeit, die aufgrund der phasenversetzten Ansteuerung benachbarter Elektromagneten in der Aktiveinheit erzielt werden kann. Damit ist es möglich, daß Aktiv- und Passiveinheit zueinander auch Positionen einnehmen können, bei der die sich gegenüberstehenden Polzähne nicht fluchtend übereinanderstehen, sondern eine beliebig versetzte Stellung einnehmen können. Die Positioniergenauigkeit ist bei dieser Konstruktion nicht mehr von dem herstellungsbedingt begrenz­ ten Abstand aufeinanderfolgender Polzähne abhängig.

Es ist besonders zweckmäßig, wenn die Permanentmagneten in eine Vielzahl kleinerer Permanentmagnete zergliedert sind. Bei Service und Wartung besteht in diesem Fall die Möglich­ keit, die Kleinpermanentmagnete ohne große Kraftanstrengung aus der Aktiveinheit zu entfernen, um danach Aktiveinheit und Passiveinheit voneinander zu trennen. Gerade bei größeren Aufbauten wäre dies andernfalls aufgrund der magnetischen Anziehungskräfte kaum möglich.

Bei einer vorzuziehenden Ausführungsform sind zwei gleichar­ tige, senkrecht zueinander angeordnete Aktiveinheiten vorge­ sehen, die mit einer Passiveinheit zusammenwirken, welche zwei senkrecht zueinander angeordnete magnetisier­ bare/magnetische Bereiche besitzt. Damit steht ein Linearan­ trieb zur Verfügung, der keinerlei zusätzliche Führungsele­ mente benötigt, da die beweglichen Teile des Linearantriebs in allen Richtungen durch die Antriebseinheiten selbst geführt sind.

Es ist besonders zweckmäßig, wenn die Aktiveinheiten ortsfest sind und die leichte Passiveinheit beweglich ist.

Bei einer weiteren Ausführungsform werden mehrere Aktiv- und Passiveinheiten zu einem in x-Richtung und in y-Richtung verfahrbaren Antrieb zusammengeschaltet. Derartige Linearan­ triebe können vorteilhaft beispielsweise in der Laserbearbei­ tungstechnik eingesetzt werden, wobei entweder mit dem Linearantrieb ein Werkstückschlitten aufgebaut ist, oder das Laserwerkzeug selbst in die entsprechenden Arbeitspositionen verfahrbar ist.

Für die möglichst verlustarme Erzeugung der gewünschten Bewe­ gung ist es besonders vorteilhaft, wenn die zwischen Aktiv- und Passiveinheit wirkende Führungseinheit durch ein Luftla­ ger gebildet ist. Damit entstehen bei der Bewegung nur geringste Reibungsverluste und gleichzeitig kann eine Kühlung der durch den magnetischen Fluß erwärmten Bauteile erzielt werden.

Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Angabe eines Verfahrens zur Herstellung einer Passivein­ heit eines derartigen Linearantriebs. Diese Aufgabe wird durch folgende Verfahrensschritte gelöst:

• a) die die magnetischen/magnetisierbaren Bereiche bilden­ den Bauteile werden hergestellt;
• b) diese Bauteile werden mit ihrer dem Leichtbaugrundkör­ per abgewandten Seite in eine Form eingelegt und dort befestigt;
• c) auf die dem Leichtbaugrundkörper zugewandte Seite der Bauteile wird ein geeigneter Klebstoff aufgebracht;
• d) der Leichtbaugrundkörper wird auf die klebstoffbe­ schichtete Seite der Bauteile aufgebracht;
• e) nach dem Aushärten des Klebstoffs wird der Leichtbau­ grundkörper mit den Bauteilen aus der Form entfernt.

Die Vorteile dieses Verfahrens bestehen darin, daß die Pas­ siveinheit in gleichbleibender Qualität herstellbar ist, wobei die einzelnen Verfahrensschritte gut automatisierbar sind. Fehler werden weitgehend ausgeschlossen und Toleranzen können in einem kontrollierbaren Bereich gehalten werden.

Es ist besonders zweckmäßig, wenn die Befestigung der Bau­ teile in der Form durch Erzeugen eines Magnetfeldes erfolgt. Das Magnetfeld ist so auszulegen, daß die Bauteile magnetisch in die Form hineingezogen werden. Dies führt besonders bei dünnen Weicheisenblechen zu einer weitgehend planen Auflage der Bleche in der Form, womit sicher gestellt ist, daß die Bauteile exakt am Leichtbaugrundkörper befestigt werden kön­ nen.

Eine dritte Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Vor­ richtung zur Herstellung einer Passiveinheit eines derartigen Linearantriebs anzugeben. Diese Aufgabe wird durch die erfin­ dungsgemäße Vorrichtung gelöst, die sich auszeichnet durch eine Form, in welche die die magnetisierbaren/magnetischen Bereiche bildenden Bauteile einlegbar sind, und einen Aufnah­ mebereich, der zur Aufnahme, Positionierung und Halterung des Leichtbaugrundkörpers dient.

Der Vorteil dieser Vorrichtung besteht in der einfachen Hand­ habbarkeit während des Herstellungsprozesses der Passivein­ heit.

Es ist besonders zweckmäßig, wenn innerhalb der Form zumin­ dest abschnittsweise ein Magnetfeld aufbaubar ist, welches so ausgelegt ist, daß die magnetisierbaren/magnetischen Bauteile in die Form hineingezogen werden. Damit wird einerseits eine flächige Anlage der Bauteile in der Form sichergestellt, woraus sich nach der Montage der Bauteile auf dem Leichtbau­ grundkörper eine ebene Oberfläche ergibt. Die damit erzielte Oberflächenebenheit ist für die nachfolgende Feinbearbeitung vorteilhaft.

Weitere Vorteile, Einzelheiten und Weiterbildungen ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausfüh­ rungsformen unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigen:

Fig. 1 eine teilweise geschnittene Seitenansicht eines Linearantriebs mit einer Aktiveinheit und einer Passiveinheit;

Fig. 2 eine Prinzipskizze eines Linearantriebs mit Luftlager, in soweit nach dem Stand der Technik;

Fig. 3 eine vereinfachte perspektivische Darstellung einer Passiveinheit mit zwei senkrecht zueinander angeordneten magnetisierbaren Bereichen;

Fig. 4 eine abgewandelte Ausführungsform des Linearantriebs aus Fig. 1 mit zwei Aktiveinheiten, die senkrecht zueinander angeordnet sind;

Fig. 5 eine teilweise geschnitten Vorderansicht des Linearantriebs aus Fig. 4;

Fig. 6 eine teilweise geschnittene Ansicht von oben des Linearantriebs nach Fig. 4;

Fig. 7 eine seitliche Detailansicht eines magnetisierbaren Bauteils mit Polzähnen;

Fig. 8 eine perspektivische Prinzipdarstellung eines abgewandelten Leichtbaugrundkörpers mit mehreren magnetisierbaren Bereichen;

Fig. 9 eine perspektivische Prinzipdarstellung einer Vor­ richtung zur Herstellung eines Leichtbaugrundkörpers;

Fig. 10 eine Ansicht von oben auf die Vorrichtung zur Herstellung des Leichtbaugrundkörpers nach Fig. 9, mit eingelegten magnetisierbaren Bauteilen.

Im folgenden werden die in der Zeichnung dargestellten Aus­ führungsformen detailliert beschrieben. Die Beschreibung erfolgt beispielhaft. Der Bereich der Erfindung wird dadurch nicht eingeschränkt. Prinzipiell kann die Erfindung bei allen gleichartigen Linearantrieben eingesetzt werden.

In Fig. 1 ist in teilweise geschnittener Seitenansicht eine vereinfachte Darstellung eines Linearantriebs gezeigt. Haupt­ bestandteile des Linearantriebs sind eine Aktiveinheit 1, eine Passiveinheit 2, eine Führungseinheit 3 und eine nicht dargestellte Ansteuereinheit.

Die Aktiveinheit 1 ist in der gezeigten Ausführungsform gestellfest, d. h. ortsfest montiert, und besitzt einen U-förmigen Gestellkörper 5, der ein oder mehrere Antriebsmo­ dule 6 aufnimmt.

Die Passiveinheit 2 besteht aus einem Leichtbaugrundkörper 10, an dessen Unterseite über eine Klebstoffschicht 11 ein magnetisches oder magnetisierbares Bauteil 12 angebracht ist. Die Befestigung des Bauteils 12 kann aber auch auf beliebige andere Weise erfolgen. In der Ausführungsform nach Fig. 1 handelt es sich bei dem Leichtbaugrundkörper 10 um ein lang­ gestrecktes Hohlprofil mit rechteckigem Querschnitt, welches aus einem Verbundwerkstoff besteht. Besonders geeignete Mate­ rialkombinationen sind glasfaserverstärkte oder kohlefaserverstärkte Kunststoffe. Der Leichtbaugrundkörper kann aber auch aus Kunststoffen bestehen, die entweder selbst eine ausreichende Steifigkeit und Stabilität aufweisen oder mit anderen Materialien ausgesteift sind. Die Form des Leichtbaugrundkörpers ist beliebig und wird dem jeweiligen Einsatzzweck und der Form der Aktiveinheit angepaßt. Als Klebstoff kommt beispielsweise Epoxydharz zum Einsatz, wobei eine haltbare und dauerhafte Verbindung zwischen dem Leicht­ baugrundkörper 10 und dem Bauteil 12 angestrebt wird.

Um eine gleichförmige, verlustarme Relativbewegung zwischen Aktiv- und Passiveinheit sicherzustellen, ist es erforder­ lich, Oberflächenunebenheiten an der Unterseite der Passiv­ einheit zu vermeiden. Die Klebstoffschicht soll daher mög­ lichst gleichmäßig sein. Die für eine Luftlagerung erforder­ liche Ebenheit mit Höhentoleranzen von 2 bis 3 Mikrometern wird durch eine Feinbearbeitung, z. B. durch Schleifen, im Anschluß an den Klebevorgang erreicht.

Zur weiteren Gewichtsreduzierung werden sehr dünne Klebe­ schichten angestrebt. Eine Klebstoffschichtdicke von ca. 0,5 Millimeter hat sich als vorteilhaft erwiesen.

Die Führungseinheit 3 wird im gezeigten Beispiel durch ein Luftpolster gebildet, welches in bekannter Weise als Luftla­ ger arbeitet. Es ist zweckmäßig, innerhalb der Aktiveinheit 1 zur Passiveinheit geöffnete Luftaustrittsdüsen 4 vorzusehen, durch die die erforderliche Luftmenge ausströmen kann.

Zum Verständnis der Funktionsweise des Linearantriebs wird im folgenden auf Fig. 2 Bezug genommen, in der die Prinzipdar­ stellung eines an sich bekannten Zweiphasen-Linearantriebs gezeigt ist. Das Antriebsmodul 6 der Aktiveinheit umfaßt Per­ manentmagneten 15, die mit einem Eisenkern 16 in magnetischer Verbindung stehen. Um den Eisenkern 16 ist eine Elektrospule 17 gewickelt, wodurch ein Elektromagnet gebildet ist. Durch den Permanentmagneten 15 wird ein permanenter magnetischer Fluß 18 erzeugt. Beim Stromfluß durch die Elektrospule 17 entsteht zudem ein temporärer Magnetfluß 19, der im Bereich 20 gleichwirkend mit dem permanenten Magnetfluß 18 verläuft, woraus sich an dieser Stelle ein verstärkter Gesamtmagnetfluß ergibt. Im Bereich 21 verläuft der temporäre Magnetfluß 19 entgegengesetzt zum permanenten Magnetfluß 18, wodurch sich ein verringerter Gesamtmagnetfluß ergibt.

Der Eisenkern 16 ist derart konstruiert, daß einzelne Polzähne 25 ausgebildet sind, die zur Passiveinheit 2 hinge­ richtet sind und in periodischem Abstand entlang der Akti­ veinheit 1 angeordnet sind. Die Passiveinheit besteht in Fig. 2 aus einem stabilen, selbsttragenden, gestellfesten, magne­ tisierbaren Bauteil 12. Auch an dem Bauteil 12 sind einzelne Polzähne 26 ausgebildet. In den Figuren sind die einzelnen Polzähne aufgrund ihrer geringen Abmessungen nicht erkennbar, sondern vereinfacht mit durchgehenden Linien dargestellt. Der Abstand der einzelnen Polzähne 25 am Antriebsmodul im Bereich 20 ist zum Bereich 21 im Verhältnis 1 : 1,5 abgestimmt. Andere Verhältnisse sind möglich. Durch entsprechende Steuerung des Gesamtmagnetflusses, der auch die Bauteile 12 durchsetzt, kommt es in bekannter Weise zu Kraftwirkungen zwischen den sich gegenüberstehenden Polzähnen und damit zu einer Relativ­ bewegung zwischen der Aktiveinheit und der Passiveinheit.

Die Lagerung erfolgt durch das Luftlager 3, welches durch die ausströmende Druckluft an der Unterseite der Aktiveinheit aufgebaut wird. Die Druckluft wird über die Düse 4 zugelei­ tet.

Zum genaueren Verständnis der Funktionsweise derartiger Line­ arantriebe wird auf die in der Einleitung genannten Dokumente des Standes der Technik verwiesen.

Bei dem in Fig. 1 gezeigten Linearantrieb wirkt auch im Ruhe­ zustand eine von den Permanentmagneten, die in den Antriebs­ modulen 6 der Aktiveinheit 1 angeordnet sind, ausgehende Anziehungskraft, die die Passiveinheit 2 nach unten anzieht. Mit Hilfe des als Führungseinheit 3 wirkenden Luftpolsters wird ein geringfügiger Spalt zwischen Aktiveinheit 1 und Passiveinheit 2 aufrechterhalten. Der Luftspalt beträgt bei­ spielsweise ca. 10 Mikrometer. Damit ist eine verlustarme Bewegung der Passiveinheit 2 möglich.

Aufgrund der Konstruktion der Passiveinheit 2 besitzt diese ein besonders geringes Gewicht und gleichzeitig eine hohe Stabilität. Damit sind mit dem gezeigten Linearantrieb wesentlich höhere Beschleunigungen erzielbar, ohne daß die Antriebskräfte zusätzlich erhöht werden müssen.

Für bestimmte Anwendungen ist es vorteilhaft, wenn in den Innenhohlraum des Leichtbaugrundkörpers 10 ein Füllstoff eingebracht ist, der dämpfende Wirkungen besitzt, wodurch beispielsweise Stöße auf den Leichtbaugrundkörper abgedämpft werden können.

In Fig. 3 ist eine separat dargestellte Passiveinheit 2 in vereinfachter perspektivischer Ansicht gezeigt. Die an den magnetisierbaren Bauteilen angeordneten Polzähne 26 sind lediglich als Linien dargestellt.

Diese abgewandelte Ausführungsform besitzt wiederum einen Leichtbaugrundkörper 10 mit rechteckigem Querschnitt, der als Hohlprofil ausgelegt ist. Neben dem über die erste Klebstoff­ schicht 11 angebrachten ersten magnetisierbaren Bauteil 12 ist auf einer zweiten Seite des Leichtbaugrundkörpers 10 eine zweite Klebstoffschicht 30 aufgebracht, die die Verbindung zu einem zweiten magnetisierbaren Bauteil 31 herstellt.

Mit der in Fig. 3 gezeigten Passiveinheit ist ein abgewandel­ ter Linearantrieb aufbaubar, der vereinfacht in teilweise geschnittener Seitenansicht in Fig. 4 dargestellt ist. Die Besonderheit dieses Linearantriebs besteht darin, daß senk­ recht zur ersten Aktiveinheit 1 eine weitere Aktiveinheit 35 vorgesehen ist. Die beiden Aktiveinheiten 1, 35 sind wiederum gestellfest montiert. Auch die zweite Aktiveinheit 35 besitzt Antriebsmodule 6, die wiederum Permanentmagnete, Eisenkerne und Elektrospulen enthalten. Die Passiveinheit 2 ist derart auf den beiden Aktiveinheiten angeordnet, daß die ersten magnetisierbaren Bauteile 12 zur unteren Aktiveinheit 1 und die zweiten magnetisierbaren Bauteile 31 zur seitlichen Aktiveinheit 35 gerichtet sind. Die beiden Aktiveinheiten 1, 35 werden von einer gemeinsamen Ansteuereinheit angesteuert. Die Passiveinheit erhält durch die erste Aktiveinheit 1 eine Führung in der Bewegungsrichtung, also entlang ihrer Längser­ streckung. In Richtung der z-Achse ist die Passiveinheit auf­ grund des Zusammenwirkens der in den Antriebsmodulen 6 erzeugten Magnetfelder der ersten Aktiveinheit 1 und des durch das Luftlager erzeugten Luftspalts ebenfalls geführt. Insoweit wäre allerdings eine Verschiebung der Passiveinheit 2 quer zur Bewegungsrichtung möglich. Die Führung, die dies verhindert, wird durch die zweite Aktiveinheit 35 gebildet, die in gleicher Weise arbeitet. Damit sind keine zusätzlichen Führungselemente erforderlich. Gleichzeitig wird die maximale Antriebskraft, die durch den gesamten Linearantrieb zur Ver­ fügung gestellt werden kann, verdoppelt.

Fig. 5 zeigt die teilweise geschnittene Vorderansicht des Linearantriebs aus Fig. 4. Es ist erkennbar, daß die Aktiv­ einheit 1 einen modularen Aufbau besitzt. In dem Gestellkör­ per 5 sind zwei Antriebsmodule 6 aneinandergereiht, die auf­ grund der größeren Längsausdehnung der Passiveinheit 2 gleichzeitig an dieser angreifen. Durch den modularen Aufbau ist es möglich, auch eine größere Anzahl von Antriebsmodulen in der Aktiveinheit anzuordnen, wenn dies aufgrund der gefor­ derten Antriebskräfte notwendig ist. Durch geeignete Positio­ nierung der Antriebsmodule ist es möglich, diese von einer gemeinsamen Ansteuereinheit anzusteuern und parallel zueinan­ der mit den entsprechenden Steuersignalen zu versorgen. Die Antriebsmodule 6 sind mit geeigneten Befestigungselementen 36 im Gestellkörper 5 befestigt.

In Fig. 6 ist der Linearantrieb aus Fig. 4 in einer teilweise geschnittenen Ansicht von oben dargestellt. Diese Ansicht läßt erkennen, daß auch die zweite Aktiveinheit 35 zwei aneinandergereihte Antriebsmodule 6 beinhaltet. Der modulare Aufbau bringt auch hier Kostenvorteile und vereinfachte Mon­ tagemöglichkeiten mit sich, da sämtliche verwendeten Antriebsmodule innerhalb des Linearantriebs identisch sind und somit verschiedenste, auf den jeweiligen Anwendungsfall angepaßte Linearantriebe zusammensetzbar sind.

Die beschriebenen Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Line­ arantriebs zeigen nur Beispiele für vielfältige konstruktive Gestaltungen auf. Insbesondere ist es möglich, den Leichtbau­ grundkörper mit anderen Querschnitten zu gestalten und an veränderte Antriebsmodule anzupassen. Durch die Verwendung von Verbundwerkstoffen für den Leichtbaugrundkörper sind beliebige Formen herstellbar.

In Fig. 7 ist in einer Seitenansicht als Detailzeichnung ein Abschnitt des magnetisierbaren Bauteils 12 gezeigt. Damit dieses Bauteil den gewünschten geometrischen Formen des Leichtbaugrundkörpers angepaßt werden kann, eignet sich besonders ein Weicheisenblech. Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Gesamtdicke des Weicheisenblechs ca. 3 mm beträgt. Die Polzähne 26 werden beispielsweise durch Fräsen oder durch Ätzen hergestellt. Vorteilhaft sind Zahnabstände im Bereich von 0,5 bis 2,0 mm. Die Zahntiefe wird in geeigne­ ter Weise dem Zahnabstand angepaßt. Vorteilhaft ist eine Zahntiefe, die in etwa das 0,5fache der Zahnteilung beträgt.

Fig. 8 zeigt in vereinfachter perspektivischer Ansicht eine weitere Gestaltung einer Passiveinheit 2. Der Leichtbaugrund­ körper 10 ist an den beiden schmalen Seitenflächen mit magne­ tisierbaren Bauteilen 12 bestückt. An der oberen breiten Sei­ tenfläche sind weitere magnetisierbare Bauteile 31 ange­ bracht. Dabei handelt es sich um voneinander getrennte Bau­ teile, die gegebenenfalls auch unterschiedliche Zahnabstände der Polzähne aufweisen können. Die auf der Oberseite des Leichtbaugrundkörpers angeordneten Bauteile können gleiche oder unterschiedliche Teilungen der Polzähne aufweisen. Es können getrennt voneinander oder in Verbindung stehende Aktiveinheiten mit der Passiveinheit zusammenwirken, wodurch die unterschiedlichsten Antriebslösungen realisierbar sind.

Eine solche Gestaltung der Passiveinheit ist beispielsweise dann nützlich, wenn die Passiveinheit gestellfest ausgelegt ist und die Aktiveinheit beweglich ist. Bei der gezeigten Ausführungsform können zwei Gruppen von Aktiveinheiten an dieser gemeinsamen Passiveinheit angreifen, wobei jede Gruppe von Aktiveinheiten wiederum aus zwei senkrecht zueinander angeordneten Aktiveinheiten besteht. Durch diesen Aufbau kön­ nen die Aktiveinheiten unabhängig voneinander auf der gemein­ samen Passiveinheit bewegt werden. Es ist auch denkbar, die erste Aktiveinheit gestellfest auszulegen und auf der dann beweglichen Passiveinheit eine zweite Aktiveinheit anzuord­ nen, die ihrerseits beweglich ist.

Derartige Kombinationen von Aktiv- und Passiveinheiten können auch zum Aufbau eines x-y-Koordinatenantriebs verwendet wer­ den. In x-Richtung ist beispielsweise eine erste Passivein­ heit beweglich, die über zwei winklig zueinander angeordnete Aktiveinheiten angetrieben und geführt ist. An dieser beweg­ ten Passiveinheit ist eine weitere Aktiveinheit angebracht, die eine zweite Passiveinheit in y-Richtung antriebt und führt. Beliebige andere Anordnungen sind möglich.

Zur Herstellung der Passiveinheiten des erfindungsgemäßen Linearantriebs eignet sich das im folgenden beschriebene Ver­ fahren.

In einem ersten Verfahrens schritt werden die magnetischen bzw. magnetisierbaren Bauteile hergestellt. Soweit Weichei­ senbleche verwendet werden, müssen die entsprechenden Formen zugeschnitten und weiterhin die Polzähne z. B. durch Fräsen oder Atzen herausgearbeitet werden.

Die vorgefertigten Bauteile werden anschließend in eine Hilfsvorrichtung eingelegt, in der die weitere Montage erfolgt. Diese Vorrichtung dient der Positionierung und Hal­ tung der magnetisierbaren Bauteile und der Erleichterung des Aufbringens dieser Bauteile auf den Leichtbaugrundkörper.

Der Leichtbaugrundkörper wird mit der gewünschten geometri­ schen Form hergestellt. Je nach Einsatzzweck des aufzubauen­ den Linearantriebs eignen sich rechteckige Querschnitte oder Hohlzylinder.

In nächsten Verfahrens schritt werden die Rückseiten der Bau­ teile mit einem geeigneten Klebstoff versehen, auf den anschließend der Leichtbaugrundkörper aufgebracht wird. Damit ist die Verbindung zwischen den magnetisierbaren Bauteilen und dem Leichtbaugrundkörper hergestellt.

Nach dem Aushärten des Klebstoffes wird der Leichtbaugrund­ körper und die daran befestigten Bauteile aus der Hilfsvor­ richtung entfernt.

Fig. 9 zeigt eine Darstellung einer zweckmäßigen Vorrichtung zur Herstellung einer Passiveinheit eines Linearantriebs in einer vereinfachten perspektivischen Ansicht. Die darge­ stellte Vorrichtung eignet sich zur Herstellung von Passiv­ einheiten mit im wesentlichen rechteckigem Querschnitt. Die Vorrichtung besteht aus einer Basiseinheit 40, in die eine V-förmige Nut 41 eingebracht ist. Innerhalb der Basiseinheit 40 ist an jedem Schenkel der V-förmigen Nut 41 wenigstens ein Elektromagnet 42 angeordnet. Im Betriebszustand werden durch die Elektromagneten 42 magnetische Felder aufgebaut, die sich in den Bereich der Nut erstrecken. Durch diese Magnetfelder werden die magnetisierbaren Bauteile, die an dem Leichtbau­ grundkörper befestigt werden sollen, angezogen und somit an die Wände der V-förmigen Nut 41 angepreßt. Soweit dünne Weicheisenbleche verwendet werden, werden diese durch ausrei­ chend starke Magnetfelder gegeben sind, werden die Weichei­ senbleche begradigt und liegen dann eben auf den Wandflächen der Nut auf. In diesem Zustand kann der Klebstoff auf die Bauteile aufgebracht werden und der Leichtbaugrundkörper ohne weiteres angeklebt werden. Anschließend müssen die aufgekleb­ ten Bauteile einer Feinbearbeitung unterzogen werden. Dabei werden die Polzähne ggf. nachgearbeitet und die gesamte Ober­ fläche abgeschliffen, damit die erforderliche Ebenheit erzielt wird, die für die Anwendung von Luftlagern Vorausset­ zung ist. Abschließend können die Lücken zwischen den einzel­ nen Polzähnen z. B. mit Epoxydharz ausgefüllt werden, damit eine geschlossene unempfindliche Oberfläche entsteht.

Es ist darüber hinaus möglich, innerhalb der Basiseinheit 40 eine Heizungseinheit vorzusehen, die den Bereich der V-förmigen Nut 41 beheizt, wodurch die eingelegten magneti­ sierbaren Bauteile und damit die aufgebrachte Klebstoff­ schicht erwärmt werden, was bei bestimmten Klebstoffen zum schnelleren Aushärten führt. Damit läßt sich die Herstellung beschleunigen. Bei einer Erwärmung muß jedoch darauf geachtet werden, daß aufgrund unterschiedlicher Ausdehnungskoeffizien­ ten im Gesamtaufbau keine Spannungen entstehen, die zu einer unebenen Oberfläche oder zu unkontrollierbaren Materialverän­ derungen führen.

In Fig. 10 ist ein Abschnitt der Vorrichtung aus Fig. 9 in einer vereinfachten Ansicht von oben gezeigt. Auf einer Wand der V-förmigen Nut 41 sind magnetisierbare Bauteile 12 aufge­ legt. Durch eine derartige Vorrichtung ist es auch möglich, einzelne magnetisierbare Bauteile auf sehr lange Leichtbau­ grundkörper aufzubringen, wobei kürzere Stücke der Bauteile unmittelbar aneinander gereiht werden. Bei einer solchen Aneinanderreihung ist es erforderlich, daß die Zahnabstände zwischen den einzelnen Polzähnen auch an den Anstoßstellen exakt eingehalten werden. Anderenfalls kann es zu Unregelmä­ ßigkeiten im Bewegungsablauf des Linearantriebs kommen. Durch die magnetische Anziehung der Bauteile innerhalb der V-förmigen Nut 41 lassen sich diese ohne Schwierigkeiten exakt positionieren, bevor der Leichtbaugrundkörper aufge­ klebt wird.

Damit können magnetisierbare Bauteile in Standardlängen vor­ rätig gehalten werden, die bei der Herstellung der Passivein­ heit zu einem Gesamtbauteil zusammengesetzt werden. Dafür ist es zweckmäßig, daß die einzelnen magnetisierbaren Bauteile jeweils in der Mitte einer Polzahnlücke enden und somit unmittelbar aneinandergereiht werden können.

Mit einer derartigen Vorrichtung können magnetisierbare Bau­ teile sowohl in Linie aneinandergereiht, als auch nebeneinan­ der liegend auf die Leichtbaugrundkörper aufgebracht werden, so daß beliebig große Flächen von Leichtbaugrundkörpern mit derartigen Bauteilen bestückt werden können.

Claims (24)

1. Linearantrieb mit

• - einer Aktiveinheit (1), die Elemente zur Erzeugung eines veränderlichen Magnetflusses besitzt;
• - einer Passiveinheit (2), die magnetisierbare oder magnetische Bereiche umfaßt;
• - einer Führungseinheit (3), die eine reibungsarme Bewegung zwischen Aktiv- und Passiveinheit gestattet;
• - und einer Ansteuereinheit, mit der der Magnetfluß veränderbar ist;

dadurch gekennzeichnet, daß
die Passiveinheit (2) aus einem Leichtbaugrundkörper (10) aus Verbundwerkstoff besteht, an dem die magnetisierba­ ren/magnetischen Bereiche (12) angeordnet sind.

2. Linearantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Leichtbaugrundkörper (10) aus glasfaserverstärktem Kunststoff besteht.

3. Linearantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Leichtbaugrundkörper (10) aus kohlefaserverstärktem Kunststoff besteht.

4. Linearantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Leichtbaugrundkörper (10) ein langgestreckter quaderförmiger Hohlkörper ist.

5. Linearantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß Hohlräume innerhalb des Leichtbau­ grundkörpers zumindest teilweise mit dämpfenden Füllstof­ fen befüllt sind.

6. Linearantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetisierbaren Bereiche aus Weicheisenblechen (12) gebildet sind, die am Leichtbau­ grundkörper (10) angeklebt sind.

7. Linearantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetisierbaren Bereiche aus kohlenstoffarmen Stählen gebildet sind, die am Leichtbau­ grundkörper befestigt sind.

8. Linearantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Aktiveinheit (1) Elemente zur Erzeugung eines Permanentmagnetflusses (15) und wenigstens einen Elektromagneten (16, 17) besitzt, der beim Fließen eines elektrischen Stromes einen mit dem Permanentmagnet­ fluß zusammenwirkenden Temporärmagnetfluß erzeugt, daß der sich ergebende Gesamtmagnetfluß die magnetisierba­ ren/magnetischen Bereiche (12) der Passiveinheit (2) durchsetzt, und daß der Temporärmagnetfluß durch die Ansteuereinheit derart verändert wird, daß eine in Bewe­ gungsrichtung wirkende Kraftkomponente resultiert.

9. Linearantrieb nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Aktiveinheit (1) eine Vielzahl von Permanentmagneten (15) und eine Vielzahl von Elektromagneten (16, 17) besitzt, die in linearer Folge angeordnet sind, wobei die unmittelbar benachbarten Elektromagneten mit phasenver­ setzten elektrischen Strömen angesteuert werden.

10. Linearantrieb nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Permanentmagneten (15), die einem Elektromagneten (16, 17) zugeordnet sind, in mehrere Kleinpermanentmag­ nete zergliedert und lösbar mit den Eisenkernen (16) des zugehörigen Elektromagneten verbunden sind.

11. Linearantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß zwei gleichartige, senkrecht zueinan­ der angeordnete Aktiveinheiten (1, 35) mit einer Passiv­ einheit (2) zusammenwirken, die zwei senkrecht zueinander angeordnete magnetisierbare/magnetische Bereiche (12, 31) besitzt.

12. Linearantrieb nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Aktiveinheiten (1, 35) ortsfest und die Passiv­ einheit (2) beweglich ist.

13. Linearantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Aktiv- und Passiveinheiten derart zusammenwirken, daß ein in X-Richtung und in Y-Richtung verfahrbarer Antrieb resultiert.

14. Linearantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Führungseinheit durch ein Luftla­ ger (3) gebildet ist.

15. Linearantrieb nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß in der Aktiveinheit (1) Luftdüsen (4) vorgesehen sind, durch die Druckluft entweicht, wodurch zwischen Aktiveinheit und Passiveinheit ein Luftpolster (3) aufge­ baut wird.

16. Verfahren zur Herstellung einer Passiveinheit (2) eines Linearantriebs, welche aus einem Leichtbaugrundkörper (10) aus Verbundwerkstoff mit magnetisierbaren oder magnetischen Bereichen (12, 31) besteht, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

• a) die die magnetischen/magnetisierbaren Bereiche bildenden Bauteile (12, 31) werden hergestellt;
• b) diese Bauteile werden mit ihrer dem Leichtbaugrundkör­ per (10) abgewandten Seite in eine Form (41) eingelegt und dort befestigt;
• c) auf der dem Leichtbaugrundkörper zugewandten Seite der Bauteile wird ein geeigneter Klebstoff aufgebracht;
• d) der Leichtbaugrundkörper wird auf die klebstoffbe­ schichtete Seite der Bauteile aufgebracht;
• e) nach dem Aushärten des Klebstoffs wird der Leichtbau­ grundkörper mit den Bauteilen aus der Form entfernt.

17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Befestigung der Bauteile in der Form durch Erzeugen eines Magnetfelds erfolgt, wodurch die Bauteile magne­ tisch in die Form hineingezogen werden.

18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetfeld in der Form durch Elektromagneten erst nach dem Einlegen der Bauteile erzeugt und vor dem Ent­ fernen des Leichtbaugrundkörpers wieder abgeschaltet wird.

19. Vorrichtung (40) zur Herstellung einer Passiveinheit (2) eines Linearantriebs, welche aus einem Leichtbaugrundkör­ per (10) aus Verbundwerkstoff mit magnetisierbaren oder magnetischen Bereichen besteht, gekennzeichnet durch,

• - eine Form (41), in welche die die magnetisierbar­ en/magnetischen Bereiche bildenden Bauteile (12) einlegbar sind,
• - einen Aufnahmebereich, der zur Aufnahme, Positionierung und Halterung des Leichtbaugrundkörpers dient.

20. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb der Form (41) zumindest abschnittsweise ein Magnetfeld derart aufbaubar ist, daß die magnetisierba­ ren/magnetischen Bauteile (12) in die Form hineingezogen werden.

21. Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß steuerbare Elektromagneten (42) angeordnet sind, die das Magnetfeld zum Anziehen der Bauteile (12) erzeugen.

22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Form (41) einen im wesentlichen V-förmigen Querschnitt besitzt.

23. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß weiterhin Heizelemente vorgesehen sind, mit denen die Form (41) und die darin eingebrachten Bauteile (12) aufheizbar sind.