ES2270040T3 - Sistema de transferencia de fuerza de reaccion. - Google Patents
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Abstract
Sistema de transferencia de la fuerza de reacción que comprende: un bastidor (22); una base (12) de la máquina soportada por el bastidor por medio por medio de una estructura de aislamiento pasi- va; un carro (10) soportado para movimiento con respecto a la base de la máquina; y un motor (16) que tiene un estátor 19 acoplado al bastidor y un dispositivo de aplicación de fuerza acoplado al carro para mover el carro con respecto a la base de la máquina, caracterizado porque el estátor (19) está acoplado al bastidor (22) para restringir el estátor a solamente un grado de libertad de movimiento con respecto al bastidor, al mismo tiempo que permite la libertad de movimiento en los otros 5 grados de libertad.
Description
Sistema de transferencia de fuerza de
reacción.
Esta invención se refiere a un método de
transferencia de fuerza de reacción para reducir movimientos de la
base de la máquina debidos a la aceleración de la etapa en
aplicaciones de movimientos de colocación rápidos.
Un gran grupo de máquinas de precisión
posicionan y mueven una pieza de trabajo con relación a una
herramienta. La pieza de trabajo, la herramienta, o ambas se mueven
a lo largo de un cierto número de ejes de movimiento. Debido a la
alta precisión que se requiere, tales máquinas están montadas de
modo que existe un aislamiento sustancial con respecto a las fuentes
de vibración ambientales. Los sistemas de aislamiento pasivo
modernos son extremadamente eficaces en la atenuación de la amplitud
de las vibraciones medioambientales que llegan a la máquina. El
aislamiento se efectúa típicamente soportando verticalmente una gran
masa de máquina tal como una base de granito sobre una elástica
blanda, que producen un sistema de frecuencia natural muy baja. Se
añade amortiguación para minimizar las perturbaciones cerca de esta
baja frecuencia natural.
Una perturbación importante surge cuando un eje
horizontal de una máquina es acelerado o desacelerado rápidamente.
La gran fuerza necesaria para acelerar una masa de carga de pago a
lo largo de un eje genera una fuerza de reacción igual en la
estructura "estacionaria" de la máquina según la Tercera Ley de
Newton. Esta fuerza de reacción acelera la masa total de la máquina,
incluyendo la base de la máquina, que es como se ha expuesto
anteriormente una placa o losa de granito maciza. La única
resistencia al movimiento lateral de la máquina es el régimen
elástico horizontal relativamente suave del sistema de aislamiento.
Mitigando el problema está la baja relación de amortiguación de los
aisladores en las direcciones horizontales. La máquina por tanto
oscila de lado a lado con amplitud y tiempo de corrección
inaceptables.
Esta oscilación de la base de la máquina puede
originar otros problemas. El movimiento de la base de la máquina es
una excitación armónica para otras estructuras fijadas a esta. Esta
entrada excitará frecuencias resonantes en tales estructuras. Estas
estructuras pueden incluir dispositivos sensibles a vibraciones
tales como ejes en movimiento, instrumentos de metrología, y la
herramienta de la máquina (por ejemplo, un microscopio o sistema
óptico de fuerza atómica).
Se dispone de sistemas de aislamiento activo que
pueden contrarrestar este problema de oscilación de la máquina. No
obstante, el aislamiento activo es extremadamente caro.
Alternativamente, se sabe que pueden ser usados métodos de
cancelación de fuerzas. En este caso, se añade un eje falso a la
máquina y se programa para que efectúe movimientos opuestos que
cancelen las fuerzas de reacción originadas por los ejes de máquina
reales. En algunas configuraciones de máquina, esta técnica de
cancelación de fuerzas puede ser elegantemente puesta en práctica.
En otras muchas configuraciones de máquina, no obstante, esta
solución es impracticable debido a la duplicación de los requisitos
de potencia, requisitos de espacio incrementados y gastos
incrementados.
Se conoce la Patente de EE.UU. Nº 5.939.852
(Akutsu Kotaro y otros) que describe un dispositivo de alimentación
de etapa que tiene una guía movible que es guiada sobre una
superficie de referencia de una placa para que sea movible en la
dirección Y, un motor lineal Y para mover la guía movible en la
dirección Y, una plataforma movible que está soportada por la guía
movible para que sea movible en la dirección X, y transporte un
objeto, y un motor lineal X para mover la plataforma movible en la
dirección X. El estátor del motor lineal X está soportado por una
segunda guía estacionaria para que sea movible solamente en la
dirección Y independientemente de la guía movible, y es movible en
la dirección Y mediante un mecanismo de accionamiento. El estátor
del motor lineal Y junto con la segunda guía estacionaria están
fijados a la base, y los miembros de la montura para eliminar
vibraciones están dispuestos entre la base y la placa.
Asimismo se conoce la Patente de EE.UU. Nº
5.260.580 (Itoh Hirohito) que describe un dispositivo de plataforma
movible, que tiene una base estacionaria, una plataforma movible y
un motor lineal, que incluye además un segundo motor lineal que
sirve como un segundo dispositivo de accionamiento para impartir
empuje en la plataforma movible y el cual está fijado a la
plataforma movible por medio de una placa de fijación intermedia.
Ambos extremos de una fila de segundas bobinas de accionamiento
están soportados encima del suelo mediante placas de soporte, que
son independientes de la base estacionaria y soportan la fila de
segundas bobinas de accionamiento por encima del suelo de tal manera
se proporcionan alta rigidez, consiguiendo de ese modo una mejora en
la velocidad y precisión del posicionamiento y evitando un
desperdicio de energía.
Además, se conoce la Patente de EE.UU.
2002/
054280 (Deguchi Nobuyoshi y otros) que describe como reducir la influencia de la vibración u oscilación debida al movimiento de las plataformas, y minimizar la influencia sobre otros aparatos colocados sobre el mismo suelo disminuyendo la influencia de una fuerza de reacción según la aceleración/desaceleración de las plataformas sobre el suelo. Un aparato de accionamiento incluye una plataforma movible sobre la cual está montado un objeto que ha de ser expuesto, un miembro de base de la plataforma que soporta la plataforma, y una estructura de recepción de la fuerza de reacción que es diferente del miembro de base de la plataforma y recibe una fuerza de reacción generada con el accionamiento de la plataforma. La transmisión de vibraciones con una predeterminada frecuencia, o más de una, es amortiguada entre la estructura de recepción de la fuerza de reacción y un suelo. El aparato tiene también un soporte elástico que soporta elásticamente la estructura de recepción de la fuerza de reacción con respecto al suelo o el bastidor de base, y un accionador de fuerza, tal como un motor lineal, para generar una fuerza entre el miembro de base de la plataforma y la estructura de recepción de la fuerza de reacción. La frecuencia predeterminada es igual a, o inferior que, la frecuencia natural del suelo.
054280 (Deguchi Nobuyoshi y otros) que describe como reducir la influencia de la vibración u oscilación debida al movimiento de las plataformas, y minimizar la influencia sobre otros aparatos colocados sobre el mismo suelo disminuyendo la influencia de una fuerza de reacción según la aceleración/desaceleración de las plataformas sobre el suelo. Un aparato de accionamiento incluye una plataforma movible sobre la cual está montado un objeto que ha de ser expuesto, un miembro de base de la plataforma que soporta la plataforma, y una estructura de recepción de la fuerza de reacción que es diferente del miembro de base de la plataforma y recibe una fuerza de reacción generada con el accionamiento de la plataforma. La transmisión de vibraciones con una predeterminada frecuencia, o más de una, es amortiguada entre la estructura de recepción de la fuerza de reacción y un suelo. El aparato tiene también un soporte elástico que soporta elásticamente la estructura de recepción de la fuerza de reacción con respecto al suelo o el bastidor de base, y un accionador de fuerza, tal como un motor lineal, para generar una fuerza entre el miembro de base de la plataforma y la estructura de recepción de la fuerza de reacción. La frecuencia predeterminada es igual a, o inferior que, la frecuencia natural del suelo.
Según la invención, el sistema de transferencia
de la fuerza de reacción incluye un bastidor y una base de la
máquina soportada por el bastidor por medio de una estructura de
aislamiento pasiva. Un carro está soportado para movimiento con
respecto a la base de la máquina. Un motor que tiene un estátor
acoplado al bastidor y un dispositivo de aplicación de fuerza
acoplado al carro mueve el carro con respecto a la base de la
máquina. En una realización preferida, el motor es un motor lineal y
el carro está limitado a un único grado de libertad de movimiento
con respecto a la base de la máquina. En esta realización el estátor
de motor está soportado por un cojinete lineal sobre la base de la
máquina. En contraste con la técnica anterior, especialmente con el
documento US 5939852 (Akutsu Kotaro y otros) citado anteriormente,
la presente invención permite que el estátor esté acoplado al
bastidor para restringir el estátor solamente en un único grado de
libertad de movimiento con respecto al bastidor al mismo tiempo que
permite libertad de movimientos en los otros 5 grados de
libertad.
El estátor puede estar acoplado al bastidor
mediante uno o más elementos seleccionados del grupo compuesto de
cojinetes esféricos, cojinetes giratorios de juntas universales,
cojinetes lineales, cojinetes planos, y elementos flexibles. En una
realización preferida, el estátor está acoplado al bastidor mediante
una combinación en serie de un acoplamiento de 2 grados de libertad
y un acoplamiento de 3 grados de libertad. El acoplamiento de 2
grados de libertad puede ser una junta universal y el acoplamiento
de 3 grados de libertad puede ser un cojinete plano.
En otra realización más, el estátor está
acoplado al bastidor mediante un elemento flexible que comprende un
flexor de bisagra entallada que tiene elevada rigidez sobre el eje y
elevada adaptabilidad en los otros 5 grados de libertad. En una
realización en la que el carro está restringido a un único grado de
libertad de movimientos con respecto a la base de la máquina, la
restricción se proporciona mediante una disposición de cojinete
lineal. Una disposición de cojinete lineal adecuada puede ser
seleccionada del grupo compuesto de cojinetes de bolas, rodillos,
lineales aerostáticos o hidrostáticos. Una respuesta de codificador
a la posición del carro con respecto a la base de la máquina puede
ser también proporcionada.
La figura 1a es una vista en sección transversal
en el plano Y-Z de un sistema de técnica
anterior;
la figura 1b es una vista en sección transversal
en el plano X-Z de esta máquina de técnica
anterior;
la figura 2a es una vista en sección transversal
en el plano Y-Z que ilustra una realización del
sistema de la invención; y
la figura 2b es una vista en sección transversal
en el plano X-Z de esta realización del sistema de
la invención.
Por claridad, las figuras 1a y 1b ilustran una
representación simplificada de una máquina de la técnica anterior
que muestra solamente un eje de movimiento. Un carro 10 de
movimiento está montado sobre una base 12 de la máquina por medio de
un conjunto de cojinetes 14 lineales. Los expertos en la técnica
reconocerán que el carro 10 que se mueve soportará una pieza de
trabajo (no mostrada) cuyo movimiento ha de ser controlado con
precisión. Los cojinetes lineales 14 (de bolas, rodillos,
aerostáticos, hidrostáticos, etc.) permiten la libertad de
movimientos en una dirección de eje primaria al mismo tiempo que
impiden el movimiento en todos los demás grados de libertad. En la
figura 1a, el eje primario de movimiento ilustrado será el de entrar
en, y salir de, el plano de la figura 1a y será a lo largo del eje X
en la figura 1b.
Un motor lineal 16 proporciona fuerza para mover
el carro 10 sobre el eje. El motor lineal 16 incluye un dispositivo
18 de aplicación de fuerza (típicamente la bobina del motor 16) que
está montado en el carro 10. El estátor 19 del motor lineal 16
(típicamente una pista magnética) está montado rígidamente en la
base 12 de la máquina. Como apreciarán los expertos en la técnica,
la realimentación de la posición se proporciona típicamente mediante
un codificador lineal o interferómetro láser (no mostrado) que mide
la posición relativa entre el carro 10 y la base 12 de la máquina.
La propia base 12 de la máquina está montada sobre aisladores 20 de
la vibración pasivos. Los aisladores 20 de la vibración pasivos
están a su vez mantenidos juntos y soportados sobre un suelo (no
mostrado) mediante un bastidor tal como un bastidor 22 de acero
soldado.
Cuando el motor del dispositivo 18 de aplicación
de fuerza activa el movimiento del carro 10 en la dirección +X, una
fuerza de reacción en el estátor 9 de motor acelera la masa de la
máquina (toda la masa situada encima de los aisladores 20, menos la
masa del carro 10 que se mueve) en la dirección -X. Estos
movimientos originan una oscilación de la máquina inaceptable.
La presente invención se describirá a
continuación en combinación con la realización mostrada en las
figuras 2a y 2b. En vez del estátor 19 de motor lineal que está
asegurado rígidamente a la base 12 de la máquina como en la técnica
anterior de la figura 1a, un conjunto 24 de cojinetes lineales
permite que el estátor 19 se mueva a lo largo del eje X (único grado
de libertad) con respecto a la base 12 de la máquina pero restringe
los otros 5 grados de libertad. El conjunto 24 de cojinetes lineales
pueden ser de bolas, rodillos, aerostáticos, hidrostáticos, etc. Es
decir el estátor 19 tiene libertad de movimientos en un único grado
de libertad con respecto a la base 12 de la máquina.
Como se muestra en la figura 2b, un extremo del
estátor 19 está acoplado a una prolongación 26 del bastidor 22. El
acoplamiento, entre el estátor 19 y la prolongación 26 del bastidor
en esta realización se proporciona mediante una junta universal 28 y
un cojinete plano 30. Con relación a la prolongación 26 de bastidor,
el estátor tiene impedido su movimiento a lo largo del eje X (un
único grado de libertad impedido), pero tiene libertad para moverse
en los otros 5 grados de libertad.
La función de la junta universal 28 y el
cojinete plano 30 puede ser conseguida con cualquier combinación de
elementos mecánicos que restrinja el movimiento del estátor 19 de
motor en un único grado de libertad mientras todavía permita
libertad de movimientos en los otros 5 grados de libertad. La
combinación de elementos puede incluir cojinetes esféricos, juntas
universales, cojinetes giratorios, cojinetes lineales y cojinetes
planos. Otro acoplamiento adecuado es un elemento flexor (flexor de
bisagra entallada) en una combinación que tenga alta rigidez axial y
adaptabilidad en los otros 5 grados de libertad.
Los expertos en la técnica apreciarán que
cualquier rozamiento o vibración elástica en las direcciones exentas
de componentes que restrinjan el estátor 19 del motor degradarán el
aislamiento de vibraciones del sistema. Una ejecución ideal
utilizará por tanto todos los cojinetes aerostáticos. En este caso,
los cojinetes de aire lineales se usan para montar el estátor 19 del
motor con respecto a la base 12 de la máquina. Los cojinetes de aire
esféricos y planos en serie proporcionarán la única restricción del
grado de libertad entre el estátor 19 de motor y la prolongación 28
de bastidor.
En funcionamiento, cuando el dispositivo 18 de
aplicación de fuerza de motor acciona el carro 10 que se mueve en la
dirección +X, por ejemplo, la fuerza de reacción en el estátor 19
del motor trata de acelerar la prolongación 26 de bastidor en la
dirección -X. No se aplica fuerza alguna a la base 12 de la máquina
aislada (suponiendo despreciable el rozamiento en el cojinete lineal
24). Por lo tanto, no se induce movimiento horizontal alguno en la
base 12 de la máquina aislada, y no se introduce excitación
transitoria alguna en otras estructuras de la máquina. La base 12 de
la máquina todavía tiene libertad para moverse en los seis grados de
libertad, limitada solamente por los aisladores pasivos 20. Por lo
tanto, los aisladores pasivos 20 realizarán todavía su función de
aislar la base 12 de la máquina de las vibraciones medioambientales.
Puesto que el bastidor 22 está acoplado por rozamiento al suelo, no
se mueve. Alguna vibración se introducirá en el bastidor 22 y el
estátor 19 de motor mediante el movimiento del carro 10. Con el
diseño correcto, no obstante, las frecuencias de estas vibraciones
pueden ser mantenidas suficientemente altas para que no influencien
el comportamiento global de la máquina.
Se reconoce que un efecto adverso potencial del
sistema de transferencia de la fuerza de reacción de la invención
radica en que cualquier movimiento relativo entre el estator 19 de
motor y una escala codificadora adherida a la base 12 de la máquina
degradará el comportamiento de la conmutación del motor 16. No
obstante, la relación de la amplitud de cualquier movimiento de la
base 12 de la máquina con el periodo de conmutación del motor típico
es suficientemente pequeña para que este efecto sea mínimo como se
ha verificado experimentalmente.
Para facilitar la comprensión, la presente
invención ha sido ilustrada para movimiento a lo largo de un único
eje. Los expertos en la técnica reconocerán que la tecnología
descrita puede fácilmente ser extendida a aplicaciones de movimiento
de múltiples ejes.
Claims (9)
1. Sistema de transferencia de la fuerza de
reacción que comprende:
un bastidor (22);
una base (12) de la máquina soportada por el
bastidor por medio por medio de una estructura de aislamiento
pasiva;
un carro (10) soportado para movimiento con
respecto a la base de la máquina; y
un motor (16) que tiene un estátor 19 acoplado
al bastidor y un dispositivo de aplicación de fuerza acoplado al
carro para mover el carro con respecto a la base de la máquina,
caracterizado porque el estátor (19) está acoplado al
bastidor (22) para restringir el estátor a solamente un grado de
libertad de movimiento con respecto al bastidor, al mismo tiempo
que permite la libertad de movimiento en los otros 5 grados de
libertad.
2. El sistema de la reivindicación 1, en el que
el motor es un motor lineal (16).
3. El sistema de la reivindicación 1, en el que
el carro (10) es restringido a un único grado de libertad de
movimiento con respecto a la base (12) de la máquina.
4. El sistema de la reivindicación 3, en el que
el estátor (19) del motor está restringido a un único grado de
libertad mediante un cojinete lineal (14) sobre la base (12) de la
máquina.
5. El sistema de la reivindicación 1, en el que
el estátor (19) está acoplado al bastidor (22) mediante uno o más
elementos seleccionados del grupo compuesto de cojinetes esféricos,
juntas universales (28), cojinetes giratorios, cojinetes lineales
(24), cojinetes planos (30), y elementos flexores, en el que
opcionalmente el elemento flexor es un flexor de bisagra entallada
que tiene elevada rigidez axial y elevada adaptabilidad en los otros
5 grados de libertad.
6. El sistema de la reivindicación 1, en el que
el estátor está acoplado al bastidor mediante una combinación en
serie de un acoplamiento de 2 grados de libertad y un acoplamiento
de 3 grados de libertad, en el que opcionalmente el acoplamiento de
2 grados de libertad es una junta universal (28) y el acoplamiento
de 3 grados de libertad es un cojinete plano (30).
7. El sistema de la reivindicación 3, en el que
el carro (10) está restringido a un grado único de libertad de
movimiento con respecto a la base (12) de la máquina mediante un
conjunto (24) de cojinetes lineal, en el que opcionalmente el
conjunto de cojinetes lineal es seleccionado del grupo compuesto de
cojinetes de bolas, rodillos, aerostático, o hidrostático.
8. El sistema de la reivindicación 4, en el que
el conjunto de cojinetes lineal es seleccionado del grupo compuesto
de bolas, rodillos, aerostático, hidrostático, o plano.
9. El sistema de la reivindicación 1, que
incluye además un codificador sensible a la posición del carro (10)
con respecto a la base (12) de la máquina.
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