DE102007037886B4 - Field-guided planar precision drive with an air-bearing rotor - Google Patents
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Abstract
Feldgeführter planarer Präzisionsantrieb mit einem luftgelagerten Läufer (1), der als Planartisch ausgebildet ist, welcher Permanentmagnetkreise (4) aufweist, weiterhin mit einer unterhalb des Läufers (1) befindlichen Statorplatte (6), auf der Statorplatte (6) jeweils gegenüberliegend vorgesehenen Antriebsspulenpaaren (3), um je nach Bestromung der Antriebsspulenpaare (3) Kraftwirkungen auf den Läufer (1) mit den Permanentmagnetkreisen (4) auszuüben, wobei die Antriebsspulenpaare (3) symmetrisch in einem rechtwinkligen x-y-Koordinatensystem angeordnet sind, weiterhin die Statorplatte (6) Linearführungen (5), die jeweils in einem rechten Winkel zueinander stehen, für jedes Antriebsspulenpaar (3) aufweist, um eine Bewegung der Antriebsspulenpaare (3) entlang der jeweiligen x- oder y-Achse des Koordinatensystems zu erreichen, wobei bei einer Verstellung des Läufers (1) in x-Richtung eine Kraftkomponente zum Mitziehen oder Mitbewegen derjenigen gegenüberliegenden Antriebsspulenpaare (3) vorliegt oder erzeugt wird, welche der Verstellung des Läufers (1) in y-Richtung dienen, sowie bei einer Verstellung des Läufers (1) in y-Richtung eine Kraftkomponente zum Mitziehen oder Mitbewegen derjenigen gegenüberliegenden Antriebsspulenpaare (3) vorliegt oder erzeugt wird, welche der Verstellung des Läufers (1) in x-Richtung dienen, dadurch gekennzeichnet, dass entlang der Außenränder der Unterseite des Planartisches (1) die Permanentmagnetkreise (4) angeordnet sind, die Längsausdehnung der Antriebsspulenpaare (3) nur unwesentlich größer als die Breite der Permanentmagnetkreise (4) ist und die Linearführungen (5) kreuzförmig symmetrisch auf dem Stator (6) angeordnet sind, wobei jede Linearführung (5) jeweils ein Antriebsspulenpaar (3) aufnimmt.Field-guided planar precision drive with an air-bearing rotor (1), which is designed as a planar table, which has permanent magnet circuits (4), furthermore with a stator plate (6) located below the rotor (1), on the stator plate (6) each opposing drive coil pairs ( 3), in order to exert force effects on the rotor (1) with the permanent magnet circuits (4) depending on the energization of the drive coil pairs (3), the drive coil pairs (3) being arranged symmetrically in a right-angled xy coordinate system, furthermore the stator plate (6) linear guides (5), which are each at right angles to one another, for each drive coil pair (3) in order to achieve a movement of the drive coil pairs (3) along the respective x- or y-axis of the coordinate system, with an adjustment of the rotor ( 1) a force component in the x-direction for pulling or moving those opposite pairs of drive coils (3) vo r lies or is generated, which are used to adjust the rotor (1) in the y-direction, as well as an adjustment of the rotor (1) in the y-direction a force component for dragging or moving those opposite drive coil pairs (3) is present or generated which serve to adjust the rotor (1) in the x-direction, characterized in that the permanent magnetic circuits (4) are arranged along the outer edges of the underside of the planar table (1), the longitudinal extent of the drive coil pairs (3) is only slightly larger than the width of the permanent magnetic circuits (4) and the linear guides (5) are arranged symmetrically in a cross shape on the stator (6), each linear guide (5) receiving a pair of drive coils (3).
Description
Die Erfindung betrifft einen feldgeführten planaren Präzisionsantrieb mit einem luftgelagerten Läufer gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The invention relates to a field-guided planar precision drive with an air-bearing rotor according to the preamble of
Aus der
Mit diesem Präzisionsantrieb soll es gelingen, das dynamische Verhalten zu verbessern, wobei auch kleinste Schrittweiten realisierbar sind. Regelabweichungen werden optoelektronisch ermittelt, wobei auf der Tischplatte nur z. B. Laserinterferometerspiegel oder andere inkrementale Geberplatten angeordnet sind, so dass sich keine zusätzliche Massebelastung ergibt.With this precision drive, it should be possible to improve the dynamic behavior, with even the smallest increments can be realized. Control deviations are determined optoelectronically, on the table only z. As laser interferometer or other incremental encoder plates are arranged so that there is no additional mass load.
Zur Vergrößerung der erzeugten Kraft, zur Kompensation bzw. zur Erzeugung von Drehmomenten oder zur Verhinderung bzw. Erzeugung von Drehbewegungen geringer Größe werden mindestens vier Spulen mit den kraftwirksamen Spulensträngen zur Tischmitte in zwei parallelen Kraftwirkungslinien für jede Koordinate x, y in der Tischplatte und die entsprechenden Dauermagnetpaare auf einer ferromagnetischen Grundplatte oder entsprechenden ferromagnetischen Teilstücken der Grundplatte angeordnet. Die Stromstärke in den Spulen wird dann durch einen vorhandenen Lageregler so eingestellt, dass je nach der vorhandenen Bewegungsaufgabe eine zentrisch wirkende Summenkraft oder aber auch ein Drehmoment auf die Tischplatte ausübbar ist.To increase the force generated, to compensate or to generate torques or to prevent or generate rotational movements of small size at least four coils with the force effective coil strands to the center of the table in two parallel force lines of action for each coordinate x, y in the table top and the corresponding Permanent magnet pairs arranged on a ferromagnetic base plate or corresponding ferromagnetic portions of the base plate. The current in the coils is then adjusted by an existing position controller so that depending on the existing motion task a centrally acting sum force or even a torque on the table top is exercisable.
Eine Weiterentwicklung der in der
Die Realisierung eines großen Verfahrbereichs soll mit Hilfe einer Kaskadierung von Antriebsgrundelementen und vorzugsweise einer elektronischen Kommutierung erreicht werden. Eine gegenphasige Bestromung jeweils gegenüberliegender Spulen oder Spulenpaare gestattet die Erzeugung eines Antriebsmoments bezüglich des Massenschwerpunkts des dort vorgesehenen Läufers. Der Läufer ist mittels aerostatischer Führungselemente an vier Aufnahmepunkten auf insgesamt vier Lagerflächen in z-Richtung abgestützt und trägt die vorerwähnten Dauermagnetkreise, die jeweils paarweise symmetrisch gegenüberliegend für jede Koordinate x und y angeordnet sind. Zum Erreichen eines entsprechend großen Verstellwegs ist die Ausdehnung der Antriebsspulenpaare in Längsrichtung wesentlich größer als die Breite der dortigen Permanentmagnetkreise mit der Folge, dass der Aufwand für die Herstellung der Spulen größer und das Gesamtgewicht der Anordnung erhöht ist.The realization of a large travel range should be achieved by means of a cascading of drive basic elements and preferably an electronic commutation. An opposite-phase energization of respectively opposite coils or pairs of coils allows the generation of a drive torque with respect to the center of mass of the rotor provided there. The rotor is supported by means of aerostatic guide elements at four receiving points on a total of four bearing surfaces in the z direction and carries the aforementioned permanent magnet circuits, which are arranged in pairs symmetrically opposite each coordinate x and y. To achieve a correspondingly large displacement, the expansion of the drive coil pairs in the longitudinal direction is substantially greater than the width of the local permanent magnet circuits, with the result that the cost of producing the coils is greater and the total weight of the assembly is increased.
Die
Aus dem Vorgenannten ist es daher Aufgabe der Erfindung, einen weiterentwickelten feldgeführten planaren Präzisionsantrieb mit einem luftgelagerten Läufer anzugeben, welcher über einen großen Verfahrbereich verfügt, und zwar ohne dass die Verlustleistung des Antriebs und die damit verbundenen Probleme, wie z. B. die Erwärmung zunehmen.From the foregoing, it is therefore an object of the invention to provide an advanced field-guided planar precision drive with an air bearing rotor, which has a large travel range, without the power loss of the drive and the associated problems such. B. increase the warming.
Die Lösung der Aufgabe der Erfindung erfolgt durch einen feldgeführten planaren Präzisionsantrieb mit luftgelagertem Läufer, welcher Permanentmagnetkreise aufweist, gemäß der Merkmalskombination nach Patentanspruch 1, wobei die Unteransprüche zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen umfassen.The object of the invention is achieved by a field-guided planar precision drive with air-bearing rotor, which has permanent magnet circuits, according to the combination of features according to
Ausgehend von einem luftgelagerten Läufer, welcher Permanentmagnetkreise aufweist und wobei unterhalb des Läufers eine Statorplatte vorhanden ist, welche jeweils gegenüberliegend vorgesehene Antriebsspulenpaare besitzt, um je nach Bestromung der Antriebsspulenpaare Kraftwirkungen auf den Läufer mit dort vorhandenen Permanentmagnetkreisen auszuüben, wobei die Antriebsspulenpaare symmetrisch in einem rechtwinkligen x-y-Koordinatensystem angeordnet sind, weist die Statorplatte Linearführungen für jedes Antriebsspulenpaar auf, um eine Bewegung der Antriebsspulenpaare entlang der jeweiligen x- oder y-Achse des Koordinatensystems zu erreichen.Starting from an air-bearing rotor, which has permanent magnet circuits and wherein below the rotor, a stator plate is present, which each has oppositely provided drive coil pairs to exert depending on the energization of the drive coil pairs force effects on the rotor with permanent magnet circuits there, the drive coil pairs are arranged symmetrically in a rectangular xy coordinate system, the stator has linear guides for each pair of drive coil to a To achieve movement of the drive coil pairs along the respective x- or y-axis of the coordinate system.
Bei einer Verstellung des Läufers in x-Richtung liegt eine Kraftkomponente zum Mitziehen oder Mitbewegen derjenigen gegenüberliegenden Antriebsspulenpaare vor oder wird erzeugt, welche der Verstellung des Läufers in y-Richtung dient. Bei einer Verstellung des Läufers in y-Richtung liegt eine Kraftkomponente zum Mitziehen oder Mitbewegen derjenigen gegenüberliegenden Antriebsspulenpaare vor oder wird erzeugt, welche der Verstellung des Läufers in x-Richtung dienen.In an adjustment of the rotor in the x-direction is a force component for entrainment or Mitbewegen the opposite pairs of drive coil is or is generated, which serves to adjust the rotor in the y-direction. In an adjustment of the rotor in the y-direction is a force component for entrainment or Mitbewegen of those opposite pairs of drive coil or is generated, which serve to adjust the rotor in the x-direction.
Die Antriebsspulenpaare werden in der jeweils anderen, d. h. nicht angesteuerten Richtung x oder y präzisionsgeführt über den gesamten Bewegungsbereich der aktiven Achse mitgezogen, d. h. ebenfalls beweget. Erfolgt dann eine Bestromung der entsprechenden Antriebsspulenpaare, die sich auf der mitgezogenen Achse befinden, liegt eine optimale Position der Permanentmagnetkreise vor mit der Folge, dass die erzeugte Kraft in optimaler Weise auf den Läufer zum Zweck der Verstellung zur Einwirkung bringbar ist. Damit kann der Nachteil des Standes der Technik beseitigt werden, der bei festen Statorspulen vorliegt. Mit zunehmender Spulenlänge, die an sich zur Vergrößerung des Verfahrwegs notwendig ist, nimmt nämlich bekanntermaßen die Verlustleistung derart zu, dass ergänzend zu den thermischen Problemen am Planarmotor Energie- und Fertigungskosten derart steigen, dass ein wirtschaftlicher Betrieb nicht mehr möglich erscheint.The drive coil pairs are in the other, d. H. uncontrolled direction x or y, guided in a precision-guided manner over the entire range of motion of the active axis, d. H. also beweget. If then an energization of the corresponding pairs of drive coils, which are located on the coaxing axis, is an optimal position of the permanent magnet circuits before, with the result that the force generated in an optimal manner on the rotor for the purpose of adjustment can be brought to act. Thus, the disadvantage of the prior art can be eliminated, which is present at fixed stator coils. As the coil length increases, which is necessary to increase the travel distance, the power loss is known to increase in such a way that, in addition to the thermal problems on the planar motor, energy and production costs increase such that economical operation no longer seems possible.
Bei der Variante eines planaren Präzisionsantriebs mit den mitbewegten Antriebsspulenpaaren können so sehr viel kürzere Spulen eingesetzt werden, die kostengünstiger herstellbar sind und darüber hinaus Einsparungen beim Gesamtgewicht der Anordnung ermöglichen.In the variant of a planar precision drive with the mitbewegten drive coil pairs so much shorter coils can be used, which are cheaper to produce and also allow savings in the overall weight of the arrangement.
Die Kraftkomponente zum Mitziehen oder Mitbewegen kann erfindungsgemäß durch einen an dem jeweiligen Antriebsspulenpaar fixierten Stift oder Bolzen bewirkt werden, welcher in einer Nut, einer Schiene oder einem Langloch des Läufers geführt wird.The force component for pulling or co-moving can be effected according to the invention by a pin or bolt fixed to the respective drive coil pair, which pin is guided in a groove, a rail or a slot in the rotor.
Bei einer alternativen Ausführungsform kann die Kraftkomponente zum Mitbewegen der jeweiligen Antriebsspulenpaare durch einen separaten Antrieb erzeugt werden, welcher von einer übergeordneten Regelung des Präzisionsantriebs entsprechende Steuerinformationen erhält.In an alternative embodiment, the force component for co-moving the respective drive coil pairs can be generated by a separate drive, which receives corresponding control information from a higher-level control of the precision drive.
Dieser separate Antrieb kann in die jeweilige Linearführung integriert sein und z. B. einen Piezoaktor aufweisen.This separate drive can be integrated into the respective linear guide and z. B. have a piezoelectric actuator.
Die Permanentmagnetkreise des erfindungsgemäßen feldgeführten planaren Präzisionsantriebs bestehen aus einer Vielzahl von in einer Reihe angeordneten Einzelmagneten, wobei bevorzugt zwei beabstandete Magnete ein Joch zur Bildung eines Eisenrückschlusses aufweisen.The permanent magnet circuits of the field-guided planar precision drive according to the invention consist of a plurality of individual magnets arranged in a row, wherein preferably two spaced-apart magnets have a yoke for forming an iron yoke.
Die Permanentmagnetkreise sind symmetrisch, sich in x- und y-Richtung erstreckend, auf dem Läufer angeordnet und mit diesem verbunden.The permanent magnet circuits are symmetrical, extending in the x and y directions, arranged on the rotor and connected thereto.
Zudem ist der Läufer als ein Planartisch ausgebildet, an dessen Unterseite die Permanentmagnetkreise befindlich sind.In addition, the rotor is designed as a Planartisch, on the underside of the permanent magnet circuits are located.
Die Permanentmagnetkreise sind erfindungsgemäß entlang der Außenränder der Unterseite des Planartisches, der z. B. eine quadratische oder Rechteckform aufweist, angeordnet.The permanent magnet circuits according to the invention along the outer edges of the underside of the Planartisches, z. B. has a square or rectangular shape arranged.
Die Linearführungen, die auf dem Stator angeordnet sind, können einen Wagen zur Aufnahme eines jeweiligen Antriebsspulenpaars tragen.The linear guides disposed on the stator may carry a carriage for receiving a respective pair of drive coils.
Die Längsausdehnung der Antriebsspulenpaare ist erfindungsgemäß nur unwesentlich größer als die Breite der Permanentmagnetkreise mit der vorerwähnten Folge reduzierter Kosten bei der Herstellung kürzerer Spulen und einer Gewichtseinsparung.The longitudinal extent of the drive coil pairs according to the invention is only slightly larger than the width of the permanent magnet circuits with the aforementioned consequence of reduced costs in the production of shorter coils and a weight saving.
Die Linearführungen sind jeweils in einem rechten Winkel zueinander stehend ausgeführt, wobei bevorzugt die Linearführungen kreuzförmig symmetrisch angeordnet sind.The linear guides are each made at right angles to each other standing, wherein preferably the linear guides are arranged in a cross shape symmetrical.
Die Führungen, welche jeweils ein Antriebsspulenpaar aufnehmen, können als geschlossene Gleit-Prismenführung, als offene prismatische Kugelwälzführung, als geschlossene Gleit-Zylinderführung, aber auch als Luftführung, d. h. areostatische Führung, ausgebildet werden. Die Geradlinigkeit der Bewegung wird primär durch die geometrische Ausführung der gepaarten Oberflächen bestimmt, so dass eine entsprechend sorgfältige Bearbeitung dieser Oberflächenteile erforderlich ist. Zur Vermeidung parasitärer Effekte sind die jeweiligen Führungen möglichst reibungsarm auszugestalten. Von Vorteil sind hier prismatische Luftführungen, die eine äußerst geringe Reibung bei Bewegung und Stillstand aufweisen und bei denen es keinen Stick-Slip-Effekt gibt.The guides, which each receive a pair of drive coils, as a closed sliding prism guide, as an open prismatic ball roller guide, as a closed sliding cylinder guide, but also as an air guide, d. H. areostatic leadership, be trained. The straightness of the movement is determined primarily by the geometric design of the paired surfaces, so that a correspondingly careful processing of these surface parts is required. To avoid parasitic effects, the respective guides are designed to be as low-friction as possible. Advantageous here are prismatic air ducts, which have an extremely low friction during movement and standstill and where there is no stick-slip effect.
Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels sowie unter Zuhilfenahme von Figuren näher erläutert werden. The invention will be explained below with reference to an embodiment and with the aid of figures.
Hierbei zeigen:Hereby show:
Die Ausführungsform eines feldgeführten planaren Präzisionsantriebs gemäß der Darstellung nach
Der aerostatisch geführte Planartisch
Der Stator
Zur Erfassung der Position des Planartisches
Im Gegensatz zu bekannten Ausführungsformen von Planarmotoren ist nunmehr vorgeschlagen, an sich bekannte flache, rechteckförmige Antriebsspulenpaare für die x- und y-Achsen nicht fest auf dem Stator
Wird hierzu die Folge der
Alternativ besteht auch die Möglichkeit, die Kraftkomponente zum Mitziehen oder Mitbewegen der jeweiligen Antriebsspulenpaare durch einen separaten Antrieb zu erzeugen, welcher von einer übergeordneten Regelung des Präzisionsantriebs Steuerinformationen bzw. Steuersignale erhält. Dieser separate Antrieb kann in die jeweilige Linearführung integriert werden.Alternatively, it is also possible to generate the force component for entrainment or co-movement of the respective pairs of drive coils by a separate drive which receives control information or control signals from a higher-level control of the precision drive. This separate drive can be integrated into the respective linear guide.
In allen Verschiebepositionen des Planartisches
Dabei befinden sich die Permanentmagnetkreise
Ohne den Grundgedanken der Erfindung zu verlassen, kann das Mitbewegen der Antriebsspulenpaare dadurch erreicht werden, dass entweder die betreffenden Antriebsspulenpaare auf der Linearführung mit einem eigenen Antrieb montiert sind, wobei dieser jeweilige Linearantrieb von der Zentralregelung des Planarmodus mit Antriebsinformationen versorgt wird, oder es können aber, wie dargelegt, die Spulenanordnungen kollinear über den Planartisch
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- PlanartischPlanartisch
- 22
- Luftlagerair bearing
- 33
- AntriebsspulenpaarDrive coil pair
- 44
- Magnetkreismagnetic circuit
- 55
- Führung, insbesondere LinearführungGuide, in particular linear guide
- 66
- Statorstator
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