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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Bauelementbestückungsmaschine mit
- – einem
Maschinenrahmen, über
den Leiterplatten transportiert werden können und auf dem die Leiterplatten
fixiert werden können,
wobei der Maschinenrahmen mit einem Führungsteil versehen ist, längs welchem
ein Schlitten bewegt werden kann,
- – einem
Bestückungskopf
zum Platzieren von Bauelementen auf den Leiterplatten, wobei der Bestückungskopf
mit dem Schlitten gekoppelt ist,
- – einem
Linearmotor zum Antreiben des Schlittens längs des Führungsteils in einer Antriebsrichtung,
wobei der Motor einen stationären
Teil und einen beweglichen Teil hat und wobei der bewegliche Teil
mit dem Schlitten verbunden ist.
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Eine
derartige Bauelementbestückungsmaschine
ist aus der WO-A1-97/38567
bekannt. Das Prinzip einer solchen Maschine ist in den 5 und 6 schematisch
dargestellt, welche die Maschine in Draufsicht bzw. in Seitenansicht
zeigen. Der stationäre
Teil 7 des Linearmotors 5, d. h. eine magnetische
Spannplatte ist an dem Maschinenrahmen 1 starr befestigt.
Während
des Betriebes werden die Spulen, welche den beweglichen Teil 6 des
Linearmotors bilden und auf dem Schlitten angeordnet sind, erregt,
um den Schlitten 2 längs
des Führungsteils 3 anzutreiben.
Infolge dessen wird eine Reaktionskraft auf die magnetische Spannplatte
ausgeübt,
die auf den Maschinenrahmen übertragen
wird. Diese Kräfte sind
während
des Anfahrens und Stoppens des Schlittens am größten. Der Maschinenrahmen beginnt
zu schwingen, was folglich auch für die Leiterplatte 8 gilt,
die auf dem Maschinenrahmen fixiert ist. Die Größe der Frequenz der Schwingung
und die Amplitude der Schwingung werden bis zu einem wesentlichen
Grad durch die Größe der Reaktionskräfte und
durch die Steifigkeiten und Massen der verschiedenen Maschinenteile
bestimmt. Die Maschinenteile dienen als ein Massenfederungssystem.
Wenn die Schwingungen der Eigenfrequenz eines solchen Massenfederungssystems
nahe kommen, können sich
in dem Maschinenrahmen unakzeptable Schwingungen ausbilden, die
große
Amplituden haben. Die Position, wo ein Bauelement 9 auf
einer Leiterplatte mittels des Bestückungskopfes 4 platziert werden
muss, der an dem Schlitten 2 befestigt ist, wird mit Hilfe
eines Sichtsystems (nicht gezeigt) bestimmt. Das Sichtsystem kann
aber nicht die Schwingungen der Leiterplatte berücksichtigen. Die Platzierung
eines Bauelements erfolgt unmittelbar, nachdem der Schlitten gestoppt
hat, d. h. beispielsweise innerhalb von etwa 10 μm. Da solche Schwingungen innerhalb
dieses Zeitintervalls weder abgedämpft werden noch wenigstens
auf eine Amplitude von einigen wenigen μm gedämpft werden, tritt während der Platzierung
des Bauelements eine Ungenauigkeit auf. Das Verzögern der Platzierung, bis die
Schwingungen sich auf einen akzeptablen Wert verringert haben, ist
unakzeptabel, weil es zu einem unakzeptablen Anstieg der Prozesszeit
führt.
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Es
ist ein Ziel der Erfindung, den Einfluss der Reaktionskräfte, die
durch den Antrieb des Schlittens hervorgerufen werden, auf den Maschinenrahmen
zu minimieren.
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Um
das zu erreichen, ist die Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass
der stationäre
Teil des Motors an einem Kraftrahmen befestigt ist, der von dem
Maschinenrahmen dynamisch getrennt ist. Die Reaktionskräfte werden
nun überwiegend
von dem Kraftrahmen statt von dem Maschinenrahmen wie im Stand der
Technik aufgenommen. Das ist wichtig, weil die Position des Schlittens
in Bezug auf den Maschinenrahmen, nicht in Bezug auf den Kraftrahmen gemessen
wird. Aufgrund der dynamischen Trennung werden die Schwingungen,
die dadurch in dem Kraftrahmen verursacht werden, nicht länger oder nur
bis zu einem sehr begrenzten Grad auf den Maschinenrahmen übertragen.
Insbesondere die Schwingungen mit einer Frequenz nahe bei der Eigenfrequenz
der Gesamtheit der Maschinenteile, die als das Massenfederungssystem
dienen, werden nicht oder kaum auf den Maschinenrahmen übertragen.
Infolgedessen hat der Antrieb des Schlittens keinen oder kaum einen
Einfluss auf die Position der Leiterplatte. Das führt zu einer
Steigerung der Genauigkeit, mit welcher die Bauelemente auf der
Leiterplatte platziert werden.
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Die
Trennung zwischen den Rahmen könnte erreicht
werden, beispielsweise, durch Platzieren beider Rahmen separat auf
dem Werkstattboden derart, dass sie getrennt sind. In diesem Fall
könnten
die Schwingungen in dem Kraftrahmen noch über den Boden auf den Maschinenrahmen übertragen
werden. Die Schwingungen sind dann jedoch in einem derartigen Ausmaß gedämpft, dass
der Einfluss derselben auf den Maschinenrahmen vernachlässigbar ist.
In der Praxis ist eine solche Trennung jedoch fast nicht machbar,
dank u. a. der Handhabung der Maschine, der Toleranzen und Eichungen.
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Vorzugsweise
ist der Kraftrahmen von dem Maschinenrahmen nur in der Antriebsrichtung
des Schlittens dynamisch getrennt. In anderen Richtungen kann der
Kraftrahmen mit dem Maschinenrahmen gekoppelt sein. Der Grund dafür ist, dass
sich die Reaktionskräfte
in einem Linearmotor im Wesentlichen in der Richtung des Antriebs
des Schlittens erstrecken. Daher sind die Schwingungen des Kraftrahmens
im Wesentlichen in dieser Antriebsrichtung orientiert. Infolgedessen
ist es möglich,
den Kraftrahmen mechanisch mit dem Maschinenrahmen zu verbinden,
so dass ein zusammenhängendes
Rahmenwerk erzielt wird.
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Eine
Ausführungsform
desselben ist dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftrahmen mit dem
Maschinenrahmen mittels Blattfedern derart gekoppelt ist, dass die
Blattfedern eine geringe Steifigkeit in der Antriebsrichtung des
Schlittens und eine große
Steifigkeit in den anderen Richtungen aufweisen. Eine Blattfeder
hat eine sehr kleine Masse und, in einer Richtung, eine sehr kleine
Steifigkeit.
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Eine
weitere Ausführungsform
ist dadurch gekennzeichnet, dass ein zweiter Schlitten vorhanden
ist, auf dem der Bestückungskopf
befestigt ist und der längs
eines Führungsteils
des ersten Schlittens in einer zweiten Antriebsrichtung rechtwinkelig zu
der ersten Antriebsrichtung des ersten Schlittens mit Hilfe eines
zweiten Linearmotors angetrieben werden kann, wobei ein beweglicher
Teil des zweiten Linearmotors mit dem zweiten Schlitten verbunden ist
und ein stationärer
Teil des zweiten Linearmotors von dem ersten Schlitten dynamisch
getrennt ist. Das ermöglicht,
den Bestückungskopf
in zwei zueinander rechtwinkeligen Richtungen in Bezug auf den Maschinenrahmen
und daher in Bezug auf die Leiterplatte zu positionieren, wobei
die Reaktionskräfte
der Motoren keine oder fast keine Schwingungen in diesen Richtungen
verursachen. Vorzugsweise ist der stationäre Teil von dem ersten Schlitten
nur in der Antriebsrichtung des zweiten Schlittens dynamisch getrennt.
Das kann auf dieselbe Art und Weise wie bei dem ersten Kraftrahmen
erreicht werden durch Koppeln des stationären Teils des zweiten Linearmotors mit
dem ersten Schlitten mit Hilfe von Blattfedern derart, dass der
stationäre
Teil eine kleine Steifigkeit in Bezug auf den ersten Schlitten in
der Antriebsrichtung des zweiten Schlittens und eine große Steifigkeit in
den anderen Richtungen hat.
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Diese
und andere Aspekte der Erfindung werden unter Bezugnahme auf die
im Folgenden beschriebenen Ausführungsformen
deutlich und erhellt werden.
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In
den Zeichnungen:
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1 ist
eine schematische Draufsicht auf eine Bauelementbestückungsmaschine,
in welcher das Prinzip des dynamischen Trennens des Maschinenrahmens
von dem Kraftrahmen dargestellt ist,
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2 ist
eine schematische Draufsicht auf eine Bauelementbestückungsmaschine,
wobei der Maschinenrahmen und der Kraftrahmen nur in der Antriebsrichtung
des Schlittens getrennt sind,
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3 ist
eine schematische Draufsicht auf eine komplexere Bauelementbestückungsmaschine mit
einer Vielzahl von Schlitten und dynamischen Trennungen gemäß der Erfindung,
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4 ist
eine perspektivische Ansicht der Bauelementbestückungsmaschine, die in 3 gezeigt
ist,
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5 ist
eine schematische Draufsicht auf eine herkömmliche Bauelementbestückungsmaschine
und
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6 ist
eine schematische Seitenansicht der herkömmlichen Bauelementbestückungsmaschine,
die in 5 gezeigt ist.
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In
der vereinfachten schematischen Darstellung, die in 1 gezeigt
ist, bezeichnet die Bezugszahl 1 einen Maschinenrahmen.
Längs einer
Führungsstange 3 des
Maschinenrahmens kann sich ein Schlitten 2 in der durch
den Pfeil P gezeigten Richtung hin- und herbewegen. Auf dem Schlitten
befindet sich ein Bestückungskopf 4,
mittels welchem Bauelemente 9 aus einem Lager von Bauelementen aufgenommen
werden können.
Leiterplatten 8 können
auf bekannte Art und Weise über
den Maschinenrahmen 1 transportiert werden und können anschließend auf
dem Maschinenrahmen fixiert werden. Mit Hilfe des Bestückungskopfes 4 können die aufgenommenen
Bauelemente 9 auf der Leiterplatte 8 positioniert
werden. Der Antrieb des Schlittens 2 erfolgt mit Hilfe
eines Linearmotors 5. Dieser Linearmotor hat einen beweglichen
Teil, der durch einen Block von Spulen 6 gebildet und auf
dem Schlitten befestigt ist, und einen stationären Teil, der durch eine magnetische
Spannplatte 7 gebildet ist. Die magnetische Spannplatte
ist auf einem separaten Rahmen befestigt, welcher als Kraftrahmen 10 bezeichnet
wird. Dieser Kraftrahmen 10 ist von dem Maschinenrahmen 1 dynamisch
getrennt, d. h. die Kräfte,
die auf den Kraftrahmen ausgeübt
werden, werden nicht auf den Maschinenrahmen übertragen. Der Maschinenrahmen 1 und
der Kraftrahmen 10 sind auf dem Werkstattboden individuell
platziert, ohne miteinander gekoppelt zu sein. Während des Antreibens des Schlittens 2 werden
die Spulen erregt, um den Schlitten zu beschleunigen oder zu verlangsamen.
Das ruft Reaktionskräfte
an der magnetischen Spannplatte 7 und somit an dem Kraftrahmen 10 hervor.
Der Kraftrahmen wird kontaktiert und beginnt zu schwingen. Durch
Trennen der Rahmen werden diese Schwingungen nicht oder nur bis
zu einem sehr begrenzten Ausmaß auf
den Maschinenrahmen 1 übertragen. Die
Schwingungen können
allenfalls über
den Werkstattboden auf den Maschinenrahmen übertragen werden. Dann sind
jedoch die Schwingungen bereits so weit gedämpft, dass der Einfluss, den
sie ausüben,
sehr gering ist.
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2 zeigt
schematisch die Situation, in welcher der Kraftrahmen 10 von
dem Maschinenrahmen 1 nur in der Antriebsrichtung P des
Schlittens 2 getrennt ist. Um das zu erreichen, sind Blattfedern 11 zwischen
der magnetischen Spannplatte 7 und dem Maschinenrahmen 1 angebracht.
In der Antriebsrichtung P weisen diese Blattfedern eine geringe
Steifigkeit auf, und in den anderen Richtungen weisen Sie eine große Steifigkeit
auf. Die magnetische Spannplatte 7 ist mit dem Kraftrahmen 10 in
der Antriebsrichtung verbunden, wie es mittels der Linie 12 gezeigt
ist. Die Reaktionskräfte
an der magnetischen Spannplatte 7 und somit an dem Kraftrahmen 10 wirken
im Wesentlichen in der Antriebsrichtung P. Die Schwingungen des
Kraftrahmens 10, die so hervorgerufen werden, werden kaum
auf den Maschinenrahmen 1 übertragen.
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3 zeigt
schematisch eine Bauelementbestückungsmaschine,
bei der sich der Bestückungskopf
in einer X-Richtung sowie in einer Y-Richtung bewegen kann und bei
der die Reaktionskräfte
der Motoren, die auf den Maschinenrahmen und somit auf die Position
der Leiterplatte ausgeübt werden,
minimiert sind. Eine Y1-Führungsschiene 21 ist
an dem Maschinenrahmen 20 befestigt. Längs der Führungsschiene 21 kann
sich ein erster Schlitten 22 in der Y-Richtung bewegen.
Der Schlitten 22 wird durch einen ersten Linearmotor 23 angetrieben.
Der Motor ist durch einen Block von Spulen 24 gebildet, welcher
auf dem Schlitten 22 befestigt ist, und durch eine magnetische
Spannplatte 25. Die magnetische Spannplatte ist mit der
Y1-Führungsschiene 21 mittels
Blattfedern 26 verbunden. In der Antriebsrichtung des Schlittens 22,
d. h. in der X-Richtung weisen diese Blattfedern eine geringe Steifigkeit
auf. Die magnetische Spannplatte 25 ist mit einem Kraftrahmen 27 in
der Y-Richtung starr verbunden. Das ist mittels der Linie 28 gezeigt.
Eine X-Führungsschiene 29 ist an
dem ersten Schlitten 22 befestigt und quer zu der Y1-Führungsschiene 21 orientiert.
Die X-Führungsschiene
erstreckt sich über
die Arbeitsfläche 30 des Maschinenrahmens 20.
Längs der
X-Führungsschiene 29 kann
sich ein zweiter Schlitten 31 in der X-Richtung bewegen. Der zweite Schlitten
wird durch einen zweiten Linearmotor 32 angetrieben. Der
Motor ist durch einen Block von Spulen 33 gebildet, der auf
dem zweiten Schlitten befestigt ist, und durch eine magnetische
Spannplatte 34. Die magnetische Spannplatte 34 ist
mit der X-Führungsschiene 29 mittels
Blattfedern 35 verbunden. In der Antriebsrichtung des Schlittens 31,
d. h. in der X-Richtung weisen diese Blattfedern eine geringe Steifigkeit
auf. Auf dem Schlitten befindet sich ein Bestückungskopf 36. Mittels
dieses Bestückungskopfes
können
Bauelemente 37 auf einer Leiterplatte 38 platziert
werden. Die Leiterplatte befindet sich auf der Arbeitsfläche 30 des
Maschinenrahmens 20 und kann über diesen Rahmen transportiert
werden. Während
des Platzierens der Bauelemente ist die Leiterplatte auf der Arbeitsfläche fixiert. Eine
Y2-Führungsschiene 39 ist auf
dem Kraftrahmen 27 befestigt. Diese Führungsschiene befindet sich
entgegengesetzt zu der Y1-Führungsschiene 21 auf
der anderen Seite des Maschinenrahmens 20. Ein dritter
Schlitten 40 kann sich längs der Führungsschiene 39 bewegen.
Der Schlitten 40 wird durch einen dritten Linearmotor 41 angetrieben.
Der Motor ist durch einen Block von Spulen 42 gebildet,
der auf dem Schlitten 40 befestigt ist, und durch eine
magnetische Spannplatte 43, die auf dem Kraftrahmen starr
befestigt ist. Die X-Führungsschiene 29 ist
mit dem Schlitten 40 verbunden. Das ist mittels der Line 44 gezeigt.
Diese Verbindung hat eine geringe Steifigkeit in der X-Richtung
und eine große
Steifigkeit in der Y-Richtung. Die magnetische Spannplatte 34 des
zweiten Linearmotors ist auch mit dem Schlitten 40 verbunden.
Das ist mittels der Linie 45 gezeigt. Diese Verbindung
hat eine große
Steifigkeit in der X-Richtung.
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4 zeigt
in einer realistischeren Anordnung die schematische Situation, die
in 3 gezeigt ist. Die Bezugszahlen, die in 3 benutzt
werden, werden auch in 4 benutzt. Der Maschinenrahmen 20 ist
mit Beinen 20a, b, c, d versehen. Der Kraftrahmen 27 ist
durch zwei horizontale Schienen 27a, 27b gebildet,
auf denen zwei U-Schienen 27c, 27d in der vertikalen
Richtung befestigt sind. Die vier aufrechten Schienen 27c1, 27c2, 27d1, 27d2 der U-Schienen
befinden sich in den Eckpunkten eines Rechtecks, zwischen denen
sich der Maschinenrahmen 20 befindet. Die vier Beine 20a,
b, c, d des Maschinenrahmens sind auf den horizontalen Schienen 27a, 27b des
Kraftrahmens befestigt. Die Y1-Führungsschiene 21 ist
auf dem Maschinenrahmen 20 befestigt. Die magnetische Spannplatte 25 des
ersten Linearmotors 23 ist mittels dünner Streifen 28 mit den
beiden vertikalen Schienen 27c1, 27cd1 des Kraftrahmens
verbunden. Die Streifen haben eine geringe Steifigkeit in der X-Richtung
und eine große Steifigkeit
in der Y-Richtung. In 4 sind die Blattfedern 26 nicht
gezeigt. Sie befinden sich zwischen der magnetischen Spannplatte 25 und
der Y1-Führungsschiene 21.
Die Y2-Führungsschine 39 ist
zwischen den anderen beiden vertikalen Schienen 27c2, 27d2 des
Kraftrahmens befestigt. Zwischen dem ersten Schlitten 22 und
dem dritten Schlitten 40 befindet sich die X-Führungsschiene 29,
auf der der zweite Schlitten 31 mit dem Bestückungskopf 36 vorgesehen
ist. 4 zeigt, dass es auch möglich ist, eine zweite X-Führungsschiene 29a mit
einem Schlitten 31a und einem Bestückungskopf 36a zwischen
den beiden Y-Führungsschienen
anzuordnen. In diesem Fall können
zwei Bauelemente gleichzeitig platziert werden. Die magnetische
Spannplatte 34a und der Block von Spulen 33a des
zweiten Linearmotors 32 sind an dem Ort der zweiten X-Führungsschiene 29a sichtbar.
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Mit
Bezug auf die 4 und 5 wird erläutert, dass
Reaktionskräfte,
die auf die magnetischen Spannplatten der Linearmotoren einwirken, den
Maschinenrahmen 20 nicht oder kaum beeinflussen. Zum Bewegen
des Bestückungskopfes 36 in eine
gewisse Y-Position oberhalb der Arbeitsfläche 30 ist es notwendig,
die Motoren 23 und 41 zu aktivieren. Die Reaktionskräfte Fy1,
die auf die magnetische Spannplatte 25 in Folge des Erregens
der Spulen 24 des ersten Linearmotors 23 ausgeübt werden, werden
aufgrund der Blattfedern 26 in der Y-Richtung nicht oder
kaum auf die Y1-Führungschiene 21 übertragen.
Das kann zum Teil selbstverständlich
auf die Steifigkeit der Blattfedern zurückgeführt werden. Die Steifigkeit
der Blattfedern sollte so gewählt
werden, dass die verursachten Schwingungen eine Frequenz haben,
die wenigstens außerhalb
des Bereiches der Eigenfrequenz der Maschinenteile ist, die als
ein Massenfederungssystem wirken. Die Schwingungen niedriger Frequenz
werden durch den Werkstattboden nicht übertragen. Die Schwingungen
hoher Frequenz haben eine kleine Amplitude und stellen kein Problem
dar. Diese Reaktionskräfte
können
die vertikalen Schienen 27c1 und 27d1 des Kraftrahmens 27 in
der Y-Richtung über
den Streifen 28 kontaktieren, was aber den Maschinenrahmen 20 nicht
oder kaum beeinflusst. Die vertikalen Schienen 27c1 und 27d1 des
Kraftrahmens und die Beine 20a und 20b des Maschinenrahmens
sind zwar auf der horizontalen Schiene 27a befestigt, Schwingungen,
die durch die Reaktionskräfte
Fy1 auf die vertikalen Schienen 27c1 und 27d1 ausgeübt werden,
werden jedoch kaum auf den Maschinenrahmen 20 übertragen,
weil die horizontale Schiene 27a auf dem Werkstattboden befestigt
ist. Die Reaktionskräfte
Fy2, die auf die magnetische Spannplatte 43 in Folge des
Erregens der Spulen 42 des dritten Linearmotors 41 ausgeübt werden,
werden in der Y-Richtung auf den Kraftrahmen 20 übertragen,
der Einfluss derselben ist aber auch sehr gering. Auf dieselbe Art
und Weise, wie es oben beschrieben ist, beeinflussen die vertikalen
Schienen 27c2 und 27d2 den Maschinenrahmen kaum,
weil diese vertikalen Schienen auf der horizontalen Schiene 27b befestigt
sind, die ihrerseits auf dem Werkstattboden befestigt ist. Zum Bewegen
des Bestückungskopfes 36 in
der X-Richtung mittels des zweiten Linearmotors 32 werden
Reaktionskräfte
Fx auf die magnetische Spannplatte 34 ausgeübt, wobei diese
Kräfte
durch das Erregen der Spulen 33 verursacht werden. Dank
der Blattfedern 35 werden diese Kräfte jedoch nicht oder kaum
in der X-Richtung auf die horizontale X-Führungsschiene 29 übertragen. Die
Reaktionskräfte
Fx können
den dritten Schlitten 40 in der X-Richtung berühren (gezeigt
mittels der Linie 45 in 3) und somit
bewirken, dass der Kraftrahmen 27 in der X-Richtung schwingt.
Dank der oben erwähnten
Befestigung der horizontalen Schienen 27a, 27b des
Kraftrahmens auf dem Werkstattboden werden diese Schwingungen jedoch
nicht oder kaum auf den Maschinenrahmen übertragen.
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Ein
Linearmotor hat einen stationären
Teil und einen beweglichen Teil, wobei der stationäre Teil im
Allgemein die magnetische Spannplatte ist und der bewegliche Teil
im Allgemeinen der Block von Spulen ist. Selbstverständlich kann
das auch umgekehrt sein.
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Es
ist auch möglich,
mehr als einen Schlitten mit einem Bestückungskopf auf einer X-Führungsschiene
zu platzieren und/oder, wie oben gezeigt, eine zweite X-Führungsschiene mit einem Schlitten und
einem Bestückungskopf
vorzusehen. Aufgrund der dynamischen Trennung in der Antriebsrichtung der
Schlitten ist die dynamische Störung,
die auftritt, wenn eine Vielzahl von Schlitten gleichzeitig angetrieben
werden, nur gering.