DD221317A1

DD221317A1 - Integrierter vierkoordinaten-gleichstromantrieb

Info

Publication number: DD221317A1
Application number: DD25617683A
Authority: DD
Inventors: Hans-Juergen Furchert
Original assignee: Zeiss Jena Veb Carl
Priority date: 1983-11-01
Filing date: 1983-11-01
Publication date: 1985-04-17

Abstract

Die Erfindung betrifft einen integrierten Vierkoordinaten-Gleichstrommotor in inkremental geregelter Arbeitsweise ohne Bewegungswandler, der vorteilhaft fuer Positionierzwecke in der Geraete- und Automatisierungstechnik einsetzbar ist, weil mit ihm entsprechend der Aufloesung der verwendeten integrierten Messsysteme sehr kleine Schrittweiten bis unter 1 mm mit sehr guter Dynamik bei geringem Spulen- und Regelungsaufwand sowie geringem Bauraum und einer geringen Gesamtmasse erreicht werden. Das Wesen der Erfindung besteht darin, dass fuer die x-y-z-f-Bewegung in einem orthogonalen Dreikoordinatenfuehrungssystem die x-, xy- und xyz-gefuehrten Teile als integrierte Laeufer von linearen und das xyzf-bewegliche Teil eines rotatorischen inkremental geregelten Antriebsteilsystems mit jeweils einer Antriebsspule, die durch Arbeitsluftspalten von Magnetkreisen hindurchgefuehrt sind und jeweils integrierten Massverkoerperungen fuer den Ortsimpuls-Soll-Ist-Vergleich der angeschlossenen Lageregler gestaltet ist Fig. 1

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft einen integrierten Vierkoordinaten-Gleichstromantrieb in inkremental geregelter Arbeitsweise, insbesondere für schnelle und genaue Positionierung räumlicher und flächenhafter Objekte in der Geräte- und Automatisierungstechnik für die Ortsstrukturerkennung bzw. -veränderung. Diese Antriebe sind für den Anschluß an digitale Signale erzeugende elektronische Einrichtungen besonders geeignet.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Es ist bekannt, daß Mehrkoordinatenbewegungseinrichtungen mit Kreuztischen und auf- oder eingesetzten Hub- und Drehtischen sowie verschiedenen Antriebseinrichtungen mit den beweglichen Tischplatten über längsverschiebbare Kardanwellen, auch über Bewegungs- und Geschwindigkeitswandler verbunden, existieren. Alle diese Einrichtungen besitzen den Nachteil eines relativ großen Volumens und einer großen Masse bei Erfüllung der Forderung nach hoher Positioniergenauigkeit < 1 μηι.

In der Offenlegungsschrift DE 2309750 wird eine Vorrichtung zum Antrieb von Schreib- und Druckwagen in Datenschreibern beschrieben, bei der Einkoordinatenbewegungen mit stromdurchflossener Spule im flußaufgeweiteten Magnetfeld realisiert werden. Nachteilig ist dabei neben der sehr starken Schwächung des Magnetfeldes auch die nur einseitige Spulenausnutzung.

In der DE 2654075 ist ein Linearmotor für große Wege beschrieben, der dadurch gekennzeichnet ist, daß auf der Innenseite mindestens einer der Schienen (12,13) eine Reihe von abwechselnd magnetisierten Magneten (14) angeordnet ist, und daß die Spulenanordnung mindestens zwei zwischen der einen Magnetreihe und der anderen Schiene bzw. zwischen den Magnetreihen beider Schienen in Längsrichtung zueinander versetzt angeordnete Spulen (22,23) aufweist, deren Teilung im wesentlichen der Bedingung t_sp - -tm + ntm genügt, wobei t,_p = Spulenteilung, t_m = Magnetteilung, η = beliebige gan/e Zahl, ρ = Phasen- oder Strangzahl ist. Die Spulen werden über Sensoren elektronisch kommutiert. Die Spulen können auch an einen Lageregler angeschlossen sein. Dabei kann die Lagerückmeldung zweckmäßig auf optoelektronischem Wege mit gestellfestem Maßstab erfolgen. Es werden Flachspulen als vorteilhaft ausgewiesen. Die Führung erfolgt mit einfachen Zylinderschubführungen. Diese Anordnung ist nur für grobe Positionierung > ΙΟμχη auf größeren Wegen mit großem Volumen- und Meßaufwand bei entsprechend niedriger Dynamik geeignet. In der DD 146525 werden Zweikoordinatenschrittmotorlösungen ohne mechanische Führung dargelegt, die jedoch ein Differenzmeßsystem und einen zusätzlichen Regler für die Ausregelung kleiner Verdrehungen erfordern.

Alle genannten Lösungen gestatten jedoch keine Vierkoordinatenbewegung und besitzen nicht den Vorzug geringer Baugröße und hoher Effektivität.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, einen integrierten Vierkoordinaten-Gleichstromantrieb zu schaffen, der in inkremental geregelter Arbeitsweise ohne Bewegungswandler Kräfte an einer Tischplatte für die gleichzeitige Bewegung in x-y-z-cp-Koordinaten auch für kleinste Schrittweiten unter 1 дт zu erzeugen gestattet und der sich durch geringe Masse, geringes Volumen und eine hohe Dynamik auszeichnet.

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Darlegung das Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen integrierten Vierkoordinatenantrieb in inkremental geregelter Arbeitsweise ohne Bewegungswandler zu schaffen, der auch für kleinste Schrittweiten unter 1 μηη ein günstiges dynamisches Verhalten und nur geringes Bauvolumen und geringe Masse besitzt. Die Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst, daß fur x-y-z-φ-Bewegungen in einem orthogonalen Dreikoordinatenfuhrungssystem auf aer Grundlage eines Mehrebenenkreuztisches die x-, xy- und xyz-geführten Teile als integrierte Läufer von linearen inkremental geregelten Antriebstei!systemen und ein x-y-z-φ-bewegliches Teil als Laufer eines rotatorischen inkremental geregelten Antriebsteilsystems mit jeweils mindestens einer Antriebsspule, die durch einen Arbeitsluftspalt eines Magnetkreises hindu'chneruhrt ist i.nd jeweils einer inkrementell oder absoluten Maßverkörperung oder einer positionsabhängig auswertbaren Objekt^"., ttur aufgebaut sind. Besonders günstige Verhältnisse ergeben sich durch die Verwendung von Aluminiumkastenspulen für die x-, y- und z-Koordinatenbewegung, die mit der Spulenlängsachse parallel zur Bewegungsrichtung ii\die geführten Teile integriert sind, wobei die Seitenstränge durch zugeordnete Arbeitsluftspalten der Magnetkreise hindurchgeführt sind. Am xy-geführten Teil wird die z-Fuhrungsbahn befestigt und außerdem ist eine Kreuzrastermaßverkörperung integriert. Das xyzcp-bewegliche Teil besitzt auf beiden Seiten geatzte mäanderförmige Spulenstränge, die einen Winkelversatz von vorzugsweise 15° besitzen, und trägt in der Mitte eine strahlungstransparente Teilfläche, auf der die zu inspektierenden oder zu manipulierenden Objekte angeordnet sind und von denen auch als eine Ausführungsvariante die z-Position über die Schärfeermittlung mit einem Mikroskopbildanelysator gewonnen und mit dem z-Antriebsteilsystem entsprechend optimiert werden kann. Zur Optimierung der Dynamik und des Bauvolumens sowie der Masse durch kleinste Spulen- und Magnetabmessungen werden Kugelumlaufführungen für die linearen Bewegungen und eine einstellbare Präzisionswälzkörperlagerung für die φ-Drehung des χνζφ-beweglichen Teiles sowie hochkoerzitive Magnetwerkstoffe mit kleiner reversibler Permeabilität und für die Rückschlußteile Legierungen mit hoher Sättigungsmagnetisierung verwendet.

Für die Bewegung in eine ausgewählte Koordinatenrichtung werden die Antriebsspulen an Spannungsquellen der notwendigen Polarität und Spannungshöhe mit entsprechender Zeitdauer jeweils über einen Regler angeschlossen, wobei die Regler die vorhandenen Istimpulse, z.B. nach einem Nullstart mit der entsprechend der vorgegebenen Bewegungsaufgabe durch einen Generator vorgegebenen Sollimpulszahl vergleichen, und dfe Krafterzeugung der Antriebe bis zur Impulszahlgleichheit angepaßt sichern. Entsprechend der Größe der Impulsdifferenz wird die Spannung bzw. ein Pulsbreitenverhättnis der Spannungspolarität geregelt. Für die Bewegung in der z-Koordinate kann die Positionsregelung auch Informationen, die von einem Objektschärfenanalysator als Meßindikator gewonnen werden mit vorgegebenen Sollgrößen sowohl analog als auch digital vergleichen. Die erreichte z-Sollage wird durch eine elektromagnetische Klemmeinrichtung gesichert Alle Bewegungsvorgänge können gleichzeitig erfolgen. Die Regelung kann hard- oder softwaremäßig (über Mikrorechner) realisiert werden.

AusUhrunosbeispiel

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. In der beiliegenden Zeichnung wird gezeigt:

Fig. 1: ein erfindungsgemäßer integrierter Vierkoordinaten-Gleichstromantrieb in Draufsicht und Fig. 2: Schnitt AA zu Fig. 1.

Nach Fig. 1 und 2 ist ein integrierter Vierkoordinaten-Gleichstromantrieb in inkremental geregelter Arbeitsweise ohne Bewegungswandler dargestellt. Eine x-y-z-<p-Bewegung wird auf der Basis eines Mehrebenenkreuztisches mit einer Erweiterung für die orthogonale г-Bewegung, in der dann auch eine <p-Drehung ausgeführt wird, realisiert. Die x-, xy- und xyz-geführten Teile 1,2 und 3 sind als integrierte Läufer der linearen inkrementalgeregelten Antriebsteilsysteme mit jeweils einer Aluminiumkastenspule 4, S, 6, die durch Arbeitsluftspalten von Magnetkreisen 7,8,9 hindurchgefühlt sind und einer xy-Kreuzrastermaßverkörperung 10 im xy-geführten Teil 2, die mit einem optoelektronischen ZwefkoordinatenmeiSfcopf 21 abgetastet wird, ausgeführt. Die Lagekoordinaten des z-geführten Teiles 3 werden durch einen nicht dargestellten Mikroskopbildanalysator von einem Objekt 11 gewonnen oder es wird in das z-geführte Teil 3 eine lineare inkrementale Meßverkörperung integriert. Eine z-Führungsbahn 12 ist an den xy-geführten Teil 2 unterhalb der xy-Kreuzrastermaßverkörperungsebene befestigt. Die erreichte z-Sollage wird durch eine elektromagnetische Klemmung 18, die am Teil 3 angreift, gesichert. Etn хуг^-geführtes Teil 13 ist als Uaufer eines inkremental geregelten rotatorischen Antriebssystems mit auf beiden Seiten geätzten Leiterzügen 14, die gegeneinander einen Winkelversatz von vorzugsweise 15" besitzen und durch den Luftspalt eines Magnetkreissystems 16 hindurchgeführt sind, einer inkrementalen rotatorischen Maßverkörperung 15, die optoelektronisch abgetastet wird, und einer strahlungsdurchlässigen Telrfläche 17 ausgeführt. Zur Optimierung der Dynamik, des Bauvolumens und der Masse durch kleinste Spulen- und Magnetabmessungen werden für die x-, xy- und xyz-geführten Teile Kugelumleufführungen 19, für das χγζφ-gefuhrte Teil 13 eine einstellbare Prazisionswälzkörperlagerung 20, hochkoerzitive Magnetwerkstoffe mit kleiner reversibler Permeabilität und Legierungen mit hoher Sättigungsmagnetisierung für die Magnetkreise verwendet.

Für die Bewegung in einer ausgewählten Koordinatenrichtung x, y, ζ, φ werden die Antriebsspulen an Spannungsquellen der notwendigen Polarität und Spannungshöhe mit entsprechender Zeitdauer jeweils über nicht dargestellte Regler, vorzugsweise mit PfOj-Charafcteristik, angeschlossen, wobei die Regler die vorhandenen Istimpulse, z. B. nach einem Nullstart, mit der entsprechend der vorgegebenen Bewegungsaufgabe durch einen Generator vorgegebenen Sollimpulszahl vergleichen und die Krafterzeugung der Antriebsteilsysteme bis zur Impulszahlgleichheit angepaßt sichern. Entsprechend der QrASe der Impulszahldifferenz wird die Spannung bzw. ein Pulsbreitenverhältnis der Gleichspannungepolarität geregelt. FQr die Bewegung in der z-Koordinate kann die Positionsreglung auch Informationen, d/e von einem Objektschärfeanalysator eis MeßindHcator gewonnen werden mit vorgegebenen Sollgrößen sowohl analog eis auch digital vergleichen. Die erreichte z-Sollage wird durch eine elektromagnetische Klemmeinrichtung, die bei Signalisation deiNz-Sollage ausgelöst wird, gesichert. Alle Koordinatenbewegungsvorgänge können gleichzeitig erfolgen

Die Regelung kann hardwaremäßig oder über Mikrorechner softwaremäßig realisiert werden.

Claims

1. Integrierter Vierkoordinaten-Gleichstromantrieb in inkremental geregelter Arbeitsweise ohne Bewegungswandler zur Positionierung eines Körpers im Raum, bestehend aus einer Tischplatte, die von einem orthogonalen Dreikordinatenführungssystem geführt und außerdem wälzgelagert ist. Spulen, die durch Arbeitsluftspalten von Magneten geführt sind, einer elektromagnetischen Klemmeinrichtung, linearen Ein- oder Mehrkoordinatenmeßsystemen sowie einem rotatorischen Meßsystem und Regeleinrichtungen, dadurch gekennzeichnet, daß x-, xy-, und xyz-geführte Teile (1,2,3) des orthogonalen Dreikoordinatenführungssystems als integrierte Läufer von linearen inkremental geregelten Antriebsteilsystemen und ein xyzcp-bewegliches Teil (13) als Läufer eines rotatorischen inkremental geregelten Antriebsteilsystems mit jeweils mindestens einer Antriebsspule (4,5,6,14), die durch Arbeitsluftspalten von Magnetkreisen (7,8,9,16) hindurchgeführt sind und jeweils einer inkrementalen oder absoluten Maßverkörperung (10,15) oder einer positionsabhängig ausweitbaren Objektstruktur (11) aufgebaut sind.

2. Integrierter Vierkoordinaten-Gleichstromantrieb nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß für die x-, y- und z-Koordinatenbewegung Kastenspulen (4,5,6) aus Aluminium mit der Spulenlängsachse parallel zur Bewegungsrichtung in die geführten Teile (1,2,3) integriert sind und die Seitenstränge der Kastenspulen (4,5,6) durch die zugeordneten Arbeitsluftspalten der Magnetkreise (7,8,9) hindurchgeführt sind.

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Erfindungsanspräche:

3. Integrierter Vierkoordinaten-Gleichstromantrieb nach Punkt 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß an dem xy-geführten Teil (2) eine z-Führungsbahn (12) befestigt und außerdem eine Kreuzrastermaßverkörperung (10) integriert ist, die die xy-Position des xyz<p-beweglichen Teiles (13) mit einem Zweikoordinatenmeßkopf (21) zu erfassen gestattet.

4. Integrierter Vierkoordinaten-Gleichstromantrieb nach Punkt 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das xyz<p-bewegliche Teil (13) eine strahlungstransparente Teilfläche (17) besitzt und seine z-Position über die Regeleinrichtung mittels des z-Antriebsteilsystems gemäß der durch einen Mikroskopbildanalysator ermittelten Schärfe des Objektausschnittbildes des auf einer strahlungsdurchlässigen Teilfläche (17) vorhandenen Objektes (11) erreicht wird.

5. Integrierter Vierkoordinaten-Gleichstromantrieb nach Punkt 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß in das xyzq>-bewegliche Teil (13) auf beiden Seiten geätzte mäanderförmige Spulen (19) integriert sind, die einen gegenseitigen Winkelversatz von vorzugsweise 15° aufweisen.

6. Integrierter Vierkoordinaten-Gleichstromantrieb nach Punkt 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die x-, xy- und xyzgeführten Teile (1,2,3) in Kugelumlaufführungen (19) geführt und das xyzcp-bewegliche Teil (13) in einem einstellbaren Präzisionskugellager gelagert ist.

7. Integrierter Vierkoordinaten-Gleichstromantrieb nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß für die Magnetkreise (7,8,9,16) hochkoerzitive Magnetwerkstoffe mit kleiner reversibler Permeabilität, z.B. SmCo₅ und für die Rückschlußteile Legierungen mit hoher Sättigungsmagnetisierung, z.B. mit 49% Fe, 49% Co, 2% V, verwendet werden.

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