AT1301U1 - Ein- oder zweidimensionales linearantriebssystem - Google Patents

Abstract

Ein- oder zweidimensionales Linearantriebssystem mit einer Statorschiene (1) oder -platte (10, Fig. 4) mit periodisch variabler magnetischer Reluktanz, die die statorische Teilung (6) bildet und einer Antriebseinheit mit einem Antrieb (2) und einem Positionssensor (5), wobei als Abtastsystem magnetempfindliche Sensorelemente (7) verwendet werden, die beispielsweise aus Hallsensoren, Feldplatten oder Magnetowiderständen aufgebaut sind und als Maßverkörperung direkt die statorische Teilung (6) verwendet wird.

Description

AT 001 301 Ul

Die Erfindung betrifft ein ein- oder zweidimensionales Linearantriebssystem mit a) einer Statorschiene oder -platte mit periodisch variabler magnetischer Reluktanz, die die statorische Teilung bildet und b) einer Antriebseinheit mit einem Antrieb und einem Positionssensor .

Linearantriebssysteme, die mit variabler Reluktanz der Laufschiene, auf der sich ein Linearmotor bewegt, arbeiten, sind bekannt und können als Schrittmotoren z.B. von der Firma NORMAG oder Parker-Hannifin in USA oder Pasim in Deutschland oder als Servomotoren, wie von der Firma THK aus Japan ausgebildet sein.

Derartige Systeme bestehen aus einem Stator, der entlang seiner Längsachse eine periodisch variable Reluktanz (statorische Teilung) aufweist und so einen inerten Antriebsteil darstellt und aus einem Schlitten, der die aktiven Antriebselemente trägt und durch ein von diesen Antriebselementen erzeugtes Magnetfeld die Relativbewegung des Schlittens entlang des Stators bewirkt. Üblicherweise werden zur Vervollständigung des Antriebssystems parallel zur Stator-Längsachse eine Führung (Schiene) und ein Längenmeßsystem hinzugefügt. Die Führung besteht zumeist aus zwei Führungsschienen und mehreren Führungsschlitten, das Meßsystem aus einer Maßverkörperung, die ebenfalls parallel zur Schienenachse angeordnet ist und aus einer passenden Abtasteinheit. Das Meßsystem dient dazu, die Lage und Geschwindigkeit des Antriebes festzustellen und zu steuern.

Das Linearantriebssystem HRS der Firma THK vereinfacht diese Standardkonstruktion dadurch, daß als Meßsystem ein sogenannter Resolver die Teilung des Stators erkennt. Resolver sind in der Elektrotechnik bekannte Meßgeräte, 2 AT 001 301 Ul die aus Polschuhen verzahnter Profilbleche und aus Meß-und Anregungsspulen, die in deren Nuten eingelegt sind, bestehen. Der konstruktive Aufbau eines Resolvers ist aufwendig und sein Platzbedarf im Vergleich zum Platzbedarf elektronischer Bauteile relativ groß.

Wie aus der Produktbeschreibung dieses Linearantriebssystems hervorgeht, ist die maximale Verfahrgeschwindigkeit derartiger Antriebe nicht größer als etwa 1,7 m/sek für eine Statorteilungsperiode von etwa 4 mm.

Da derartige Linearantriebe in der automatischen Fertigung und in der Bearbeitung eingesetzt werden, ist die maximal mögliche Verfahrgeschwindigkeit ein wichtiger Punkt, der zur Rentabilität derartiger Anlagen wesentlich beiträgt.

Es ist somit eine Aufgabe der Erfindung, einen Linearantrieb der eingangs genannten Art zu schaffen, mit dem höhere Verfahrgeschwindigkeiten bei möglichst einfachem konstruktivem Aufbau erzielt werden können.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß c) als Abtastsystem magnetempfindliche Sensorelemente verwendet werden, die beispielsweise aus Hallsensoren, Feldplatten oder Magnetowiderständen aufgebaut sind und wie sie beispielsweise in der EP-A 0 093 232 (Heidenhain) oder der WO 95/14213 (Eisschiel et al) beschrieben sind und d) als Maßverkörperung direkt die statorische Teilung verwendet wird.

Durch diese Kombination eines an sich bekannten Meßsystems mit einer an sich bekannten Antriebseinheit erreicht man völlig überraschend, daß das so erhaltene Linearantriebs-system mit Geschwindigkeiten von bis zu über 20 m/s für eine Teilungsperiode von 1 mm, somit mit mehr als der 40-fachen bisher erzielbaren Geschwindigkeit verfahren werden kann, ohne daß es zu Problemen kommt. 3 AT 001 301 Ul

Es ist nämlich eine bis jetzt nicht beachtete oder noch gar nicht erkannte ^erkannte.} Tatsache, daß die Geschwindigkeitsbeschränkung bisheriger Linearantriebssysteme nicht aus der Motoreinheit, sondern dem Meßsystem herrührt. Dies beruht darauf, daß bei den bisher verwendeten Resolvern durch deren induktivem Funktionsprinzip ein vorgegebener Bereich des Freguenzverhältnisses zwischen Trägerwelle und Modulationsmeßsignal eingehalten werden muß und daß die Trägerwellenfrequenzbereiche nicht beliebig erhöht werden können. Aber auch bei anderen verwendeten Längenmeßsystemen, die auf opto-elektronischer Basis arbeiten, ist für eine genügend hohe Auflösung die Verfahrgeschwindigkeit auf Bereiche bis einige wenige m/s beschränkt. Diese Zusammenhänge erkannt und durch die erfindungsgemäße Kombination überwunden zu haben, ist das Verdienst der Erfindung.

Die oben genannten Sensoren sind am Schlitten montiert und befinden sich zwischen einem Magneten und der statorischen Teilung und empfangen den durch sie fließenden magnetischen Fluß. Aufgrund der sich periodisch ändernden Reluktanz des Stators wird bei relativer Bewegung zwischen Abtasteinheit und Stator das vom Magneten erzeugte Anregungsfeld moduliert und die Sensorelemente erfahren diese Flußmodulation. Die erzeugten elektrischen Signale werden nach Aufbereitung im Rückkopplungsverfahren für die Steuerung des Antriebes des Schlittens verwendet.

Fi GUirett .

Die Erfindung wird im folgenden an Hand der [goiehnung | näher erläuert. Dabei zeigt die Fig. 1 eine Seitenansicht und eine Draufsicht auf einen erfindungsgemäßen Linearantrieb, die Fig. 2 ein Beispiel für die Anordnung der Magnetsenso-ren, die Fig. 3 ein Beispiel für die Verrechnungsschaltung der von den Einzelsensoren herrührenden Meßsignale, 4 AT 001 301 Ul die Fig. 4 ein Antriebssystem zur Bewegung entlang zweier Koordinaten und die Fig. 5 ein erfindungsgemäßes Antriebssystem für zwei Koordinaten mit Drehmöglichkeit des Antriebselementes.

In Fig. 1 ist ein erfindungsgemäßer Linearantrieb dargestellt, der aus einem Stator besteht, der die Laufschienen 8 für die Antriebseinheit mitintegriert einstückig enthält. Die als Stator und Laufschiene dienende Schiene wird mit 1 bezeichnet. Auf ihr läuft eine Antriebseinheit, die in ihrer Gesamtheit mit 2 bezeichnet ist. Sie besteht im wesentlichen aus dem eigentlichen Antrieb 3, einer Meßeinheit 5 und Führungen 4. Diese Führungen 4 wirken mit den entsprechenden Führungen 8 der Schiene 1 zusammen.

Die Schiene 1 ist entlang ihrer Achse L in Bereiche mit unterschiedlicher magnetischer Reluktanz geteilt, die sich periodisch wiederholen. Diese periodischen Reluktanzschwankungen sind mit 6 bezeichnet, müssen aber auf der tatsächlich ausgebildeten Schiene 1 nicht optisch erkennbar sein.

Die Meßeinheit 5 besteht im wesentlichen aus Einzelsensoren 7 und einer in der Antriebseinheit integrierten, aber in Fig. 1 nicht näher dargestellten Verrechnungsschaltung.

In Fig. 2 ist eine mögliche Ausführungsform der Meßeinheit näher dargestellt. Diese Anordnung entspricht im wesentlichen der in der WO 95/14213 erläuterten Meßeinrichtung und soll daher an dieser Stelle nur kurz abgehandelt werden: Die Meßeinheit 5, die hier ohne die Antriebseinheit 2 für sich allein dargestellt ist, befindet sich in vorgegebener Höhe H über der Oberfläche der Schiene 1. In die Oberfläche der Schiene 1, die üblicherweise aus Weicheisen besteht, ist periodisch ein Material 12eingelegt, dessen magnetische Reluktanz sich von der magnetischen Reluktanz des Grundmaterials 1 der Schiene wesentlich unterscheidet, 5 AT 001 301 Ul in den meisten Fällen ein Kunstharz, andere Kombinationen sind selbverständlich möglich.

Die periodische Abfolge dieser beiden Materialien entlang der Oberfläche der Schiene 1 entlang deren Achse L dient als Stator für den in Fig. 2 nicht dargestellten Antrieb 3. Gleichzeitig dient diese periodische Abfolge als Maßverkörperung für die Meßeinheit 5.

2>U -frPicstrl besteht, wie an sich bekannt, aus einem Magneten 9, dessen Fluß durch die unterschiedliche Reluktanz aufweisende Schiene 1 entsprechend gebündelt bzw. verdünnt wird, was von den Einzelsensoren 7 festgestellt wird und zu Spannungs- bzw. Stromänderungen ihrer Ausgangssignale führt.

Der Schritt p des Maßstabes ist in der praktischen Ausführung immer symmetrisch (p/2:p/2) geteilt, so daß über die halbe Schrittlänge ein Bereich mit hoher und über die verbleibende halbe Schrittlänge ein Bereich mit geringer Reluktanz vorliegt.

Die Einzelsensoren 7 weisen in Richtung der Maßstab-längsachse L bevorzugt die Erstreckung p/2 auf, da dies bei gleichförmiger Bewegung entlang der Maßstablängsachse zur Ausbildung eines von Haus aus bestmöglichen sinusförmigen Signals führt. Die Anordnung der Einzelsenoren 7, die in Fig. 2 mit RI, R2, R3 und R4 näher bezeichnet sind, erfolgt, wie in Fig. 2 angegeben, bevorzugt mit jeweils zwei Sensoren dicht an dicht und einem inneren Abstand von p/4 zu den beiden anderen Sensoren. Dies führt bei der Verrechnung der Signale der Sensoren, wie sie in der oben genannten WO 95/14213 beschrieben ist, zu besonders günstigen Resultaten.

Eine derartige erfindungsgemäß bevorzugt verwendete Verrechnungsanordnung ist in Fig. 3 näher dargestellt. Dabei 6 AT 001 501 Ul stellen die Widerstände RI, R2, R3, R4 die vier Einzelsensoren der Fig. 2 dar, die Widerstände R* und R" sind Referenzwiderstände. Auf diese Weise erhält man die Ausgangssignale S1 * So sin 2τιχ/ρ bzw. S2 = So cos 2πχ/ρ

Die genauere Verrechnung der Signale ist in obiger Publikation beschrieben und kann vom Fachmann auf dem Gebiete der MeBelektronik in Kenntnis der Erfindung leicht nachvollzogen oder an individuelle Gegebenheiten angepaßt werden. Es soll nur festgehalten werden, daß es selbstverständlich möglich ist, die benachbarten Einzelsensoren RI und R2 bzw. R3 und R4 nicht direkt aneinander angrenzen zu lassen, sondern Abstände zwischen ihnen vorzusehen. Diese haben folgende Bedingungen zu erfüllen:

Abstand zwischen Riund R2: di2 = (2k + l)p/2 Abstand zwischen R3und R4: d34 = (2k + l)p/2 mit k = 1,2,3,4, ....

Andere Sensorelementenanordnungen können auf dem beschriebenen Prinzip die Sinusförmigkeit der Signale durch eine Schräglage (nicht mehr parallel zur Statorteilung) oder durch andere bekannte Oberwellenunterdrückungsmethoden und Sensorenkennlinienoptimierung verbessern.

Eine Vervielfachung dieser Anordnung in der Meßrichtung oder senkrecht dazu, kann, wenn notwendig, zu einem größeren Signalgewinn und einer Integrierung der Teilungsfehler in der Stator- und Sensorebene führen.

In einer bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, das erfindungsgemäße System auf zweidimensionale, bevorzugt orthogonale (rechtwinkelige) Bewegungssysteme zu übertragen. Wie aus der Fig. 4 ersichtlich, umfaßt das Antriebssystem eine Statorplatte 10, die ein in der Statorplattenebene in zwei Richtungen x, y variables Reluktanzgitter 7 AT 001 301 Ul aufweist. Aus Gründen der vereinfachten Herstellung ist für beide Richtungen die gleiche Teilung p bevorzugt, doch kann in Einzelfällen, in denen beispielsweise in einer Richtung eine höhere Genauigkeit verlangt ist, eine Teilung px ungleich py vorgesehen sein.

Die Antriebseinheit 2 weist für jede der beiden Richtungen x, y einen Antrieb 3x bzw. 3y und eine Meßeinheit 5Sx bzw. 5Sy auf. Die mechanische Lagerung kann beispielsweise durch Kugel- oder Luftlager 11 erfolgen, vorteilhaft ist, daß die Lagerung für beide Richtungen x und y gleiche dynamische und mechanische Charakteristik aufweist. Die Antriebseinheit 2 selbst kommt dabei ohne (mechanische) Führungen aus und muß demgemäß in Abhängigkeit von ihrer Masse und den auf sie wirkenden Kräften dimensioniert werden.

In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung ist auch die Drehbarkeit für kleine Korrekturwinkel gemäß Fig. 5 vorgesehen. Diese kann durch Anordnung von zwei parallelen Meßsystemen 5Sxl, 5Sx2 und entsprechenden parallelen Antrieben 3x1 bzw. 3x2 in zumindest einer der beiden Richtungen und entsprechender Verrechnung der Meßsignale kontrolliert und gesteuert werden. Die erhaltenen Meßsignale können vom Fachmann in Kenntnis der Erfindung aufgrund der jeweiligen Geometrie erfaßt und ausgewertet werden.

Die Abmessung der Einzelsensoren in der Richtung x oder y, in der sie nicht messen sollen, wird vorzugsweise als ganzzahliges Vielfaches der Statorplattenteilung p in dieser Richtung gewählt, da dann beim Verfahren der Antriebseinheit in dieser Richtung vom Einzelsensor keine Änderung des magnetischen Flußes festgestellt wird.

Das System ist dann auch im meß-technischen Sinn orthogonal, d.h., daß beim Verfahren in einer der Richtungen x 8 AT 001 301 Ul oder y nur die Sensoren, die für diese Richtung vorgesehen sind, ansprechen.

Bei jedem der gezeigten bzw beschriebenen Systeme ist eine zusätzliche Kompensation für Schwankungen der Höhe H der Antreibseinheit 2 über der Oberfläche der Schiene 1 oder der Statorplatte 10 und für Temperaturschwankungen je nach Verwendungszweck günstig oder sogar notwendig. Diese Kompensationen gehören zum Handwerk des Fachmannes, wie beispielsweise aus der WO 95/14213 zu entnehmen ist.

Dabei kann statt des Kompensationssensors außerhalb des Bereiches veränderlicher Reluktanz ein Sensor verwendet werden, dessen geometrische Abmessungen ihn einen so großen Bereich erfassen lassen, das die mittlere Reluktanz seines Erfassungsbereiches konstant ist (ganzzahliges vielfaches der Statorteilung p). Diese Bedingung kann bei der Ausführungsform gemäß Fig. 5 bevorzugt für beide Richtungen erfüllt sein. 9

Claims (3)

1. AT 001 301 Ul Ansprüche: 1. Ein- oder zweidimensionales Linearantriebssystem mit a) einer Statorschiene (1) oder -platte (10) mit periodisch variabler magnetischer Reluktanz, die die statori-sche Teilung (6) bildet und b) einer Antriebseinheit (2) mit einem Antrieb (3) und einem Positionssensor (5), dadurch gekennzeichnet, daß c) als Abtastsystem magnetempfindliche Sensorelemente (7) verwendet werden, die beispielsweise aus Hallsensoren, Feldplatten oder Magnetowiderständen (RI, R2, R3, R4) auf-gebaut sind und d) als Maßverkörperung direkt die statorische Teilung (6) verwendet wird.
2. 2. Zweidimensionales Linearantriebssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für jede der Bewegungsrichtungen (x, y) zumindest eine Antriebseinheit (2) und zumindest eine Meßeinheit (5) vorgesehen ist, wobei die Abmessung der Einzelsensoren (7) in der Richtung (x oder y), in der sie nicht messen sollen, ein ganzzahliges Vielfaches der Statorplattenteilung (p) in dieser Richtung ist.
3. 3. Linearantriebssystem nach Anspruch 1 oder 2,bei dem ein Höhenkompensationssensor vorgesehen ist, dessen Ausgangssignal die Änderungen der Amplitude und der Lage des Nulldurchganges der Meßsignale der Einzelsensoren (7) zufolge von Schwankungen der Höhe (H) zwischen der Oberfläche des Stators (1, 10) und der Antriebseinheit (2) zu kompensieren erlaubt, dadurch gekennzeichnet, daß der Kompensationssensor in jeder der Verfahrrichtungen (L oder x und y) eine Abmessung aufweist, die einem ganzzahligen Vielfachen der Statorteilung (p) in dieser Richtung ist. 10