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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrodynamische Levitationseinrichtung, umfassend
- – einen Stator,
- – einen mittels einer Mehrzahl berührungsloser, elektrischer Aktoren in sechs Freiheitsgraden relativ zu dem Stator beweglich gelagerten Flotor, wobei wenigstens einer der Aktoren als ein elektrodynamischer Aktor ausgebildet ist,
- – Situationserfassungsmittel zum Erfassen der räumlichen Situation des Flotors relativ zum Stator und
- – eine Regeleinrichtung, die eingerichtet ist, in jedem Aktor dessen jeweilige elektrische Betätigungsgröße in Abhängigkeit von der erfassten Situation des Flotors derart zu regeln, dass der Flotor schwebend in einer vorbestimmten Flotorsituation gehalten wird.
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Stand der Technik
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Gattungsgemäße Levitationseinrichtungen sind bekannt aus der
EP 0 294 760 B1 .
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Diese Druckschrift offenbart eine Positioniereinrichtung zur Präzisionsbetätigung von Werkzeugen am Ende eines Roboterarms. Die bekannte Positioniereinrichtung umfasst einen Stator, der am Ende des Roboterarms festgelegt ist. Der Stator weist sechs Permanentmagnetpaare auf, wobei zwischen den Einzelmagneten jeden Paares ein Spalt gebildet ist, in den eine an einem Flotor festgelegte Spule hineinragt. Durch Wechselwirkung des Stroms durch die Flotor-Spulen mit den jeweils zugeordneten Permanentmagnetpaaren entsteht eine Lorentzkraft. Jede Anordnung aus einer Spule und einem zugeordneten Permanentmagnetpaar bildet somit einen elektrischen Aktor, insbesondere einen elektrodynamischen Aktor. Dem Fachmann sind auch andere Arten elektrischer Aktoren bekannt, insbesondere elektrostatische Aktoren, bei denen zwei spannungsbeaufschlagte Platten einen Kondensator bilden, in dessen Spalt eine Gegenplatte ragt, welche in Abhängigkeit von der Kondensatorspannung und ihrem eigenen elektrischen Potential eine elektrostatische Kraft erfährt. Die genannte Druckschrift offenbart jedoch lediglich die oben genannten elektrodynamischen Aktoren.
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Durch eine geeignete Regelung der Aktoren der bekannten Positioniereinrichtung kann der Flotor berührungslos schwebend in einer vorbestimmten Flotorsituation gehalten bzw. gezielt in eine gewünschte Flotorsituation überführt werden. Der Begriff der räumlichen Situation bzw. Flotorsituation ist hier weit zu verstehen und umfasst sowohl Positionierungs- als auch Orientierungsaspekte.
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Zur Regelung der Aktoren der bekannten Positioniervorrichtung ist es erforderlich, die räumliche Situation des Flotors relativ zum Stator zu jedem Zeitpunkt zu erfassen. Hierzu sind Situationserfassungsmittel vorgesehen, die bei der bekannten Vorrichtung als geteilte Fotodioden ausgebildet sind, auf welche am Flotor gespiegelte Laserstrahlen fallen. Die bekannte Vorrichtung wird in erster Linie zur Präzisionsbetätigung eines am Flotor befestigten Werkzeugs verwendet. Eine weitere Verwendung besteht darin, durch geeignete Ansteuerung der Aktoren vorgegebene Kraft-/Weg-Kennlinien bzw. Drehmoment-/Drehwinkel-Kennlinien vorzugeben, d. h. mit anderen Worten synthetische Federn zu generieren. Hierdurch kann die Kraftwirkung, die ein vom Flotor gehaltenes Werkzeug auf ein Werkstück ausübt sehr präzise eingestellt werden.
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Aus der
US 5 485 748 A ist eine berührungslose Wägeeinrichtung bekannt. Grundlage dieser Wägeeinrichtung ist eine sehr einfache und in der Praxis kaum funktionstaugliche Levitationseinrichtung. Der stabförmige, mit Flotor-Permanentmgneten versehene Flotor taucht in den Schacht eines Hohlzylinders ein, der an mehreren Axialpositionen ringförmige Lager-Permanentmagnete und an einer Axialposition eine konzentrisch orientierte, elektrische Spule aufweist. Stromfluss durch die Spule soll ein Magnetfeld generieren, welches in Wechselwirkung mit den Flotor-Magneten den Flotor im Schacht schweben lässt. Die Lager-Permanentmagnete sollen für eine stabile Lage des Flotors sorgen. Die Druckschrift schlägt vor, den Stromfluss, der erforderlich ist, um den Flotor in einer mittels optischer Sensorik überwachten vertikalen Position zu halten, zu messen und als Maß für die auf den Flotor wirkende Vertikalkraft zu verwenden.
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Aufgrund der erheblichen Inhomogenitäten der wechselwirkenden statischen Magnetfelder erscheint es bereits unwahrscheinlich, dass der Flotor eine kippstabile vertikale Position einhalten kann. In jedem Fall aber muss in einer derart inhomogenen Feldumgebung die Abhängigkeit des erforderlichen Stromflusses, von der auf den Flotor wirkenden Vertikalkraft, mithin die Abhängigkeit des Messstroms vom zu messenden Gewicht, als hochgradig nicht-linear angenommen werden. Präzise Wägungen erscheinen mit der bekannten Wagevorrichtung nicht möglich.
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Aus der
WO 03/104678 A1 ist eine berührungslose, doppelt isolierte, aktive Vibrationsdämpfung bekannt, die rückstoßfrei arbeitet und daher zum Einsatz in Schwerelosigkeit geeignet ist.
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Die
US 5 168 183 A offenbart eine ebenfalls berührungslose, jedoch lediglich einfach isolierte, aktive Vibrationsdämpfung.
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Aufgabenstellung
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die bekannte Levitationseinrichtung zur Optimierung für Wägeanwendungen weiterzubilden.
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Darlegung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 dadurch gelöst, dass die Regeleinrichtung weiter eingerichtet ist, zumindest für den elektrodynamischen Aktor das Ausmaß dessen elektrischer Betätigungsgröße, nämlich eines elektrischen Betätigungsstroms, das erforderlich ist, um den Flotor entgegen einer auf ihn einwirkenden Testkraft in der vorbestimmten Flotorsituation zu halten, zu bestimmen, daraus die Testkraft zu berechnen und den berechneten Wert der Testkraft an einer Benutzerschnittstelle auszugeben,
wobei der Flotor in Form einer Tragplatte ausgebildet ist, die an drei voneinander sowie vom Tragplattenschwerpunkt beabstandeten Stützpunkten jeweils von einem senkrecht zur Tragplattenorientierung orientierten, als Stützaktor wirkenden elektrischen Aktor gestützt ist.
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Bei der konkreten Anwendung wird eine solche Vorrichtung typischerweise so ausgerichtet, dass die Tragplatte senkrecht zur Gravitationsrichtung steht. Sie bildet somit einen an drei Punkten gestützten Wageteller auf den Wägegut aufbringbar ist, welches über seine Masse eine Kraft auf die Stützaktoren aufbringt. Durch das oben erläuterte Kompensationsprinzip kann das zur Kompensation der Tragplattenauslenkung erforderliche Ausmaß der Aktor-Betätigungsgröße der drei elektrischen Aktoren, insbesondere deren Aktorströme, zur Ermittlung der Masse des Wagegutes genutzt werden. Mit anderen Worten stellt eine solche Ausführungsform der Erfindung eine schwebend gelagerte Waage dar. Diese hat im Gegensatz zu herkömmlichen Präzisionswaagen, die stets über an einer Basis fixierte, mechanische Lenkersysteme verfügen, den Vorteil der völligen mechanischen Kontaktfreiheit, was auf Federrückstellkraft der Gelenke, Reibung oder mechanischen Nichtlinearritäten beruhende Fehler vermeidet. Ein weiterer Vorteil besteht in der Vermeidung von Ecklastfehlern, d. h. von Fehlern die durch auf ein außerhalb des Tragplattenschwerpunktes aufgelegtes Wägegut auftreten können. Eine hieraus resultierende Verkippung der Tragplatte würde unverzüglich durch eine entsprechende, unterschiedliche Ansteuerung der Stützaktoren kompensiert. Auf diese Weise können auch Roll- und Nickmomente der Tragplatte kompensiert werden.
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Nicht kompensierbar sind auf diese Weise jedoch Giermomente der Trageplatte oder lineare Auslenkungen in der Tragplattenebene. Diese können durch äußere Vibrationen oder durch eine fehlerhafte Ausrichtung der Waage erzeugt werden. Zu ihrer Kompensation schlägt eine Weiterbildung der Erfindung vor, dass die Tragplatte weiter mittels dreier senkrecht zu jedem Stützaktor orientierter, als Korrekturaktoren wirkender elektrischer Aktoren kraftbeaufschlagbar ist. Im Gegensatz zu den Stützaktoren, deren primäre Aufgabe die Abstützung einer Hauptkraftkomponente ist, ist es die primäre Aufgabe der Korrekturaktoren geringere Kraftkomponenten senkrecht zur Hauptkraftkomponente zu kompensieren. Ob und in wieweit das zu einer solchen Korrekturkompensation erforderliche Ausmaß der Betätigungsgröße der Korrekturaktoren in die Berechnung der Testkraft einzufließen hat, ist von den Umständen und der Aufgabenstellung des Einzelfalls abhängig.
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Aufgrund der unterschiedlichen Anforderungen, insbesondere in Hinsicht auf die abzustützenden Kräfte zwischen Stützaktoren und Korrekturaktoren, bietet es sich an, beide Aktorarten unterschiedlich auszulegen. Dies kann durch unterschiedliche Gestaltung der „Größe” der nach demselben Wirkprinzip arbeitenden Aktoren erfolgen. Günstiger und im Rahmen einer bevorzugten Weiterbildung auch vorgesehen erscheint es jedoch, wenn jeder Stützaktor als elektrodynamischer Aktor und jeder Korrekturaktor als elektrostatischer Aktor ausgebildet ist. Diese Aufteilung trägt dem Umstand Rechnung, dass mit elektrodynamischen Aktoren bei gleicher Baugröße deutlich größere Kräfte abgestützt werden können als mit elektrostatischen Aktoren, jene jedoch im Bereich sehr kleiner Kräfte präziser ansteuerbar sind.
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Bei der vorgeschlagenen Art der Kraftmessung ist keine präzise Einstellung einer Kraft-/Weg-Kennlinie bzw. Drehmoment-/Drehwinkel-Kennlinie erforderlich. Vielmehr werden die elektrischen Aktoren stets so angesteuert, dass der Flotor in seiner vorgegebenen Flotor-Situation verbleibt. Dies bedeutet, dass elektrodynamische Aktoren durch Variation der Stromstärke in ihren Spulen und elektrostatische Aktoren durch Variation ihrer Kondensatorspannungen in Abhängigkeit der ständig überwachten räumlichen Situation stets so angesteuert werden, dass jede sich andeutende Situationsänderung des Flotors unverzüglich kompensiert wird. Der zu dieser Kompensation erforderliche Aktorstrom ist dabei ein direktes Maß für die zu kompensierende Testkraft (ggf. zu bereinigen um eine Eigengewichts-Komponente des Flotors). Der Fachmann wird verstehen, dass auf diese Weise mit jedem Aktor nur diejenige Richtungskomponente der Testkraft gemessen werden kann, die parallel zur durch den Aktor bewirkbaren Auslenkungsbewegung besteht. Steht die Testkraft nicht parallel zu einem Aktor ist es möglich, sie mittels mehrerer Aktoren zu kompensieren und deren Ströme in Kenntnis ihrer räumlichen Relativsituation geeignet miteinander zu verrechnen und so eine Maß für die einzelnen Testkraftkomponenten oder die Gesamttestkraft zu erhalten. Der Begriff der Testkraft ist hier weit zu verstehen und erfasst nicht nur lineare Kräfte, sondern auch Drehmomente.
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Grundsätzlich ist die oben erläuterte kompensationsbasierte Kraftmessung mit jeder Art elektrischer Aktoren möglich. Als besonders gut handhabbar hat sich die Realisierung mit elektrodynamischen Aktoren, deren Betätigungsgröße, wie erläutert, ein Betätigungsstrom ist, erwiesen. Grundsätzlich möglich ist auch eine Übertragung des Messprinzips auf elektrostatische Aktoren, deren Betätigungsgröße, wie ebenfalls eingangs erläutert, eine elektrische Spannung ist. So ist bei einer Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass wenigstens einer der elektrischen Aktoren als ein solcher elektrostatischer Aktor ausgebildet ist, dessen Betätigungsgröße eine elektrische Spannung ist. Wie weiter unten noch weiter ausgeführt werden soll, sieht eine spezielle Weiterbildung der Erfindung, die unterschiedliche Arten elektrischer Aktoren kombiniert, eine besondere Aufgabenverteilung zwischen elektrostatischen und elektrodynamischen Aktoren vor.
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Unabhängig von der speziellen Gestaltung der elektrischen Aktoren ist es günstig, wenngleich nicht zwingend erforderlich, wenn die von unterschiedlichen elektrischen Aktoren abgestützten Bewegungen unterschiedlichen Freiheitsgraden zuordenbar sind. Unterschiedliche Freiheitsgerade sind per definitionem linear unabhängig. Günstig ist es daher, auch die elektrischen Aktoren in einer Konstellation so anzuordnen und einzurichten, dass Sie untereinander linear unabhängig sind. Dies vereinfacht die Berechnung der Testkraft. Allerdings lassen sich durch entsprechend aufwändige numerische Algorithmen auch mit linear abhängig angeordneten und orientierten Aktoren präzise Testkräfte bzw. Testkraftkomponenten messen.
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Obgleich die erfindungsgemäße Vorrichtung kaum ohne einen oder mehrere Aktoren, die lineare Kräfte bzw. Bewegungen abstützen, auskommen wird, ist es durchaus denkbar, und zum Teil vorteilhaft, wenn wenigstens ein Aktor zum Abstützen einer rotatorischen Bewegung ausgebildet ist. Beispielsweise könnte ein Drehspul-Aktor hier Einsatz finden. Solche Aktoren sind geeignet, um Drehmomente, für deren Abstützung ansonsten zwei Linearaktoren erforderlich wären, direkt abzustützen. Für sämtliche Aktoren gilt, dass sie sowohl uni- als auch bidirektional wirksam ausgebildet sein können, wobei beim Einsatz unidirektionaler Aktoren diese regelmäßig paarweise eingesetzt werden sollten.
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Bei einer Abwandlung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Flotor ebenfalls in Form einer Tragplatte ausgebildet ist, die jedoch in ihrem Tragplattenschwerpunkt von einem senkrecht zur Tragplattenorientierung orientierten, als Stützaktor wirkenden elektrischen Aktor gestützt sowie an drei voneinander sowie vom Tragplattenschwerpunkt beabstandeten Korrekturpunkten jeweils von einem senkrecht zur Tragplattenorientierung orientierten, als Korrekturaktor wirkenden elektrischen Aktor kraftbeaufschlagbar ist. Bei dieser Ausführungsform ist also ein zentraler Stützaktor vorgesehen, der die Hauptlast der Tragplatte und des aufgelegten Wägegutes abstützt. Die drei zusätzlichen, parallel zum Stützaktor ausgebildeten Aktoren wirken als Korrekturaktoren, insbesondere zur Abstützung von Ecklastkomponenten. Auch bei dieser Ausführungsform erscheint eine unterschiedliche Prinzip-Wahl für Stütz- und Korrekturaktoren, wie oben erläutert, günstig. Selbstverständlich ist auch bei dieser Variante günstigerweise vorgesehen, dass Giermomente und plattenparallele Bewegungskomponenten von seitlichen Korrekturaktoren abgestützt werden können. Andere denkbare Ausgestaltungen des Flotors umfassen dessen Ausbildung als ein Raumkreuz oder einen Raumwinkel, an dessen Armen die Aktoren angreifen. Günstigerweise ist dabei einer der Arme parallel zur Gravitationsrichtung ausgerichtet. Insbesondere für den Fall eines symmetrischen und mit einem Arm parallel zur Gravitationsrichtung ausgerichteten Raumkreuzes erscheint es besonders vorteilhaft, die Gesamtlast des Raumkreuzes mit einem zentralen, als elektrodynamischer Aktor ausgebildeten Stützaktor abzufangen, während an den übrigen Armen ansetzende, als elektrostatische Aktoren ausgebildete Korrekturaktoren lediglich für die Beibehaltung der stabilen Lage sorgen, d. h. im Wesentlichen kräftefrei gehalten werden. Hierdurch wird sichergestellt, dass die gesamte in Gravitationsrichtung wirkende Gewichtskraft von Flotor und eventuell aufgelegtem Wagegut ausschließlich in den Stützaktor geleitet wird, dessen Betätigungsstrom dann ein hochpräzises Maß für die eingeleitete Kraft ist.
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Wie erwähnt, ist es ein besonderer Vorteil der vorliegenden Erfindung, dass keine mechanische Verbindung zwischen Stator und Flotor bestehen muss. Um diesen besonderen Vorteil aufrecht zu erhalten ist es günstig, wenn die Situationserfassungsmittel, d. h. Sensoren zur Positions- und/oder Orientierungserfassung des Flotors relativ zum Stator ebenfalls berührungslos, insbesondere optisch arbeiten. Als besonders günstig hat sich hier eine laserinterferometrische Messeinrichtung erwiesen. Hierdurch können bereits kleinste Auslenkungen des Flotors erfasst und unverzüglich präzise kompensiert werden. Im Hinblick auf die Präzision ist diese Art der Auslenkungsmessung eines gespiegelten Laserstrahls mittels einer mehrteiligen Fotodiode deutlich überlegen. Überlegenist die Laserinterferometrie dieser bekannten Methode auch im Hinblick auf die Größe der messbaren Auslenkungen. Aufgrund des erläuterten Kompensationsprinzips treten jedoch bei der vorliegenden Erfindung keine größeren Auslenkungen auf.
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Unter dem gleichen Vorzeichen, nämlich einer möglichst weitgehenden Reduzierung jedes mechanischen Kontaktes zwischen Flotor uns Stator steht auch folgende Abwandlung der Erfindung: Günstigerweise ist der Spulenteil eines elektrodynamischen Aktors am Flotor fixiert, während sein permanentmagnetischer Teil am Stator fixiert ist. Eine umgekehrte Anordnung ist zwar grundsätzlich möglich, im Hinblick auf die Beeinflussung eines permanentmagnetischen Flotors durch metallische Gegenstände im Umfeld der Vorrichtung jedoch nachteilig. Hieraus folgt allerdings, dass der Flotor, sofern er nicht mit einer eigenen Energiequelle, z. B. einer Batterie, ausgerüstet ist, eine Übertragungsstrecke für elektrische Energie und gegebenenfalls auch für Steuerinformationen benötigt. Denkbar ist eine Kontaktierung mittels sehr dünner, hochflexibler Drähte, die keinen erheblichen Kraftnebenschluss generieren. Alternativ und bevorzugt vorgesehen kann jedoch auch eine dem Fachmann grundsätzlich bekannte, drahtlose Energie- und/oder Informationsübertragungseinrichtung zwischen flotor- und statorbasierten Elementen Einsatz finden.
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Günstigerweise verfügt die erfindungsgemäße Levitiationseinrichtung über ein inhärentes Neigungsmesssystem zur Erfassung der Neigung des Flotors gegenüber dem Stator. Dieses ist bevorzugt realisiert durch die Implementierung eines Verfahrens zur Ausrichtung der erfindungsgemäßen Levitationseinrichtung in der zu deren Ansteuerung ohnehin notwendigen Steuereinrichtung. Ein solches Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass
- – diejenigen Ausmaße der elektrischen Betätigungsgrößen, die erforderlich sind, um den Flotor relativ zu dem in seiner Zielausrichtung befindlichen Stator in der vorbestimmten Flotorsituation zu halten, als Referenzgrößen in der Steuereinrichtung hinterlegt sind,
- – diejenigen Ausmaße der elektrischen Betätigungsgrößen, die erforderlich sind, um den Flotor relativ zu dem in seiner aktuellen Ausrichtung befindlichen Stator in der vorbestimmten Flotorsituation zu halten, als aktuelle Stellgrößen mit den Referenzgrößen verglichen werden und
- – die aktuelle Ausrichtung des Stators solange variiert wird, bis die aktuellen Stellgrößen im Rahmen einer vorgegebenen Toleranz mit den Referenzgrößen übereinstimmen.
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Insbesondere zum Einsatz als Wagevorrichtung ist die korrekte Ausrichtung der erfindungsgemäßen Levitationseinrichtung relativ zur Gravitationsrichtung von besonderer Bedeutung. Bei Ausführungsformen mit einem oder mehreren (bei korrekter Ausrichtung) parallel zur Gravitationsrichtung ausgerichteten Stützaktoren und mehreren (bei korrekter Ausrichtung) senkrecht zur Gravitationsrichtung ausgerichteten Korrekturaktoren, ruht bei korrekter Ausrichtung des Stators das gesamte Gewicht des unbelasteten Flotors auf den Stützaktoren; die Korrekturaktoren tragen keine Last, können im elektrodynamischen Fall also stromlos betrieben werden. Ist der Stator jedoch fehlausgerichtet, z. B. verkippt, lastet in der ”Nullstellung” des Flotors auch auf den Korrekturaktoren ein Teil des Flotorgewichts. Auswertung der zum Halten der ”Nullstellung” erforderlichen Stellgrößen ergibt einen Hinweis auf die Fehlausrichtung des Stators und zwar sowohl in qualitativer als auch in quantitativer Hinsicht. Entsprechend können Gegenmaßnahmen, etwa die vorzugsweise automatisierte Betätigung von elektrisch verstellbaren Stellfüßen des Stators eingeleitet werden. Sind die zu Halten der ”Nullstellung” erforderlichen Kompensationskräfte der Korrekturaktoren verschwunden, ist der Stator korrekt ausgerichtet. Der Fachmann wird verstehen, dass dieses Prinzip auch bei Varianten der Erfindung anwendbar ist, bei denen keine exakt parallele bzw. senkrechte Ausrichtung der Stütz- bzw. der Korrekturaktoren relativ zur Gravitationsrichtung vorgesehen ist. Die hinterlegten Referenzwerte und ggf. die Korrekturalgorithmen zur automatisierten Variation der Stellfüße sind dann entsprechend anzupassen.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden speziellen Beschreibung und den Zeichnungen.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Es zeigen:
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1: eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des Flotors einer Levitationseinrichtung mit Linearaktoren,
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2: eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des Flotors einer Levitationseinrichtung mit Linear- und Rotationsaktoren,
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3: eine schematische Draufsicht auf eine Ausführungsform der Erfindung als Levitationswaage.
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Ausführliche Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
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Gleiche Bezugszeichen in den Figuren deuten auf gleiche oder analoge Elemente hin.
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1 zeigt eine Ausführungsform eines Flotors 10 einer Levitationseinrichtung, deren Stator in 1 nicht dargestellt ist. Dargestellt sind jedoch sechs Aktoren 12a–12f, mit denen der Flotor 10 berührungslos mit dem Stator gekoppelt ist. Wenigstens einer, bevorzugt sämtliche, der Aktoren 12a–12f ist als elektrodynamischer Aktor ausgebildet.
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Der in 1 dargestellte Flotor hat die Form eines Raumkreuzes mit sechs Armen, an deren jedem einer der Aktoren 12a–12f angreift. Die Aktoren 12a–12f sind dabei paarweise angeordnet. Insbesondere wirkt das Aktorenpaar 12a, 12b parallel zur z-Achse, das Aktorenpaar 12c, 12d parallel zur x-Achse und das Aktorenpaar 12e, 12f parallel zur y-Achse. Bevorzugt, jedoch nicht notwendigerweise wird die Levitationseinrichtung so ausgerichtet, dass die z-Achse des Flotors 10 parallel zur Gravitationskraft steht.
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Bei gleichmäßiger Ansteuerung beider Aktoren eines Paares kann eine entsprechende Linearbewegung des Flotors 10 erzeugt bzw. eine auf den Flotor wirkende, lineare Kraftkomponente kompensiert werden. Bei ungleichmäßiger Ansteuerung der beiden Aktoren eines Paares kann eine Rotationsbewegung erzeugt bzw. ein entsprechendes Drehmoment kompensiert werden.
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Auslenkungen des Flotors, die durch die äußere Testkraft oder durch die Ansteuerung der Aktoren 12a–12f erzeugt werden, werden von in 1 nur schematisch dargestellten Situationserfassungsmitteln 14a–14f erfasst. Bevorzugt sind hierzu statorseitig laserinterferometrische Messeinrichtungen installiert. In nicht dargestellter Weise werden diese erfassten Auslenkungen an eine Regeleinrichtung geleitet, die hieraus einen den Betätigungsstrom (bei elektrodynamischen Aktoren) bzw. eine Betätigungsspannung (bei elektrostatischen Aktoren) berechnet und die Aktoren entsprechend ansteuert, sodass die Auslenkung unverzüglich kompensiert wird. Durch geeignete Regelmechanismen lassen sich so jegliche Auslenkungen bereits im Ansatz kompensieren, sodass der Flotor 10 stabil in einer vorbestimmten Flotorsituation gehalten werden kann. Die hierzu notwendigen Betätigungsströme bzw. -spannungen können erfindungsgemäß als Maß für die kompensierte Testkraft herangezogen werden. D. h. aus der Größe der Betätigungsströme bzw. -spannungen kann die Testkraft insgesamt oder komponentenweise berechnet und über eine nicht dargestellte Benutzerschnittstelle dem Benutzer angezeigt werden.
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2 zeigt einen ähnlichen Flotor 10, der ebenfalls über sechs Aktoren 12g, 12h, 12i und 12k, 12m, 12n an dem nicht dargestellten Stator gelagert ist. Hierbei sind die Aktoren 12g, 12h und 12i als Linearaktor ausgebildet, von denen der zentrale Linearaktor 12g das Gewicht des Flotors 10 in z-Richtung abstützt. Auch die beiden übrigen Linearaktoren 12h und 12i üben jeweils eine Kraft in Axialrichtung desjenigen Armes, an dem sie angreifen, aus. Die Aktoren 12k, 12m, 12n hingegen sind als Rotationsaktoren ausgebildet, die Gier-, Roll- und Nick-Momente auf den Flotor 10 ausüben bzw. solche Drehmomente kompensieren können. Die Rotationsaktoren 12k, 12m, 12n erlauben es, Drehmomente mittels jeweils eines einzigen Aktors anzusteuern bzw. zu kompensieren, anstatt, wie bei der Ausführungsform von 1, hierzu stets zwei Aktoren in antagonistischem Wechselspiel zusammenwirken zu lassen. Die Linearaktoren 12g, 12h, 12i dienen im Wesentlichen der Zentrierung des Flotors 10 relativ zu den Rotationsaktoren 12k, 12m, 12n, wobei insbesondere bei der Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung als Wägeeinrichtung dem zentralen Linearaktor 12g die besondere Aufgabe der Hauptgewichtskraftkompensation, somit des eigentlichen ”Sensors” zufällt.
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Der Fachmann wird verstehen, dass die in den 1 und 2 gezeigten Flotorformen nicht Gegenstand der Erfindung sind. Wegen der Symmetrie des Raumkreuzes eignen sie sich jedoch besonders gut zur Illustration der Erfindung. Jegliche anderen Flotorformen sind ebenso denkbar, beispielsweise ein Raumwinkel, d. h. eine „Ecke” des in den 1 und 2 dargestellten Raumkreuzes.
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3 zeigt eine besonders vorteilhafte, erfindungsgemäße Ausgestaltung des Flotors 10 als eine im Wesentlichen dreieckige Tragplatte 16. Die Tragplatte 16 ist senkrecht zur hier als z-Achse bezeichneten Vertikalen, d. h. senkrecht zur Gravitationskraft ausgerichtet. Sie ist von drei elektrodynamischen Stützaktoren 12u, 12v, 12w, die als parallel zur Vertikalen ausgerichtete Linearaktoren ausgebildet sind, abgestützt. Mittels des zuvor erläuterten Kompensationsprinzips können die zum Halten der Tragplatte 16 in einer vorbestimmten Tragplattensituation erforderlichen Aktorströme als Maß für eine vertikal wirkende Kraft genutzt werden. Diese setzt sich aus der Gewichtskraft der Tragplatte 16 und einer Testmasse 18 zusammen, die auf einen Waagschalenbereich 20 der Tragplatte 16 aufgelegt ist. Ein Vergleich der erforderlichen Kompensationsströme mit und ohne aufgelegte Testmasse 18 ergibt den zur Kompensation der von der Testmasse 18 ausgelösten Testkraft erforderlichen Aktorstrom, der dann ein direktes Maß für die Testkraft und damit für die Testmasse 18 ist. Ecklastfehler, wie sie durch ein dezentrales Auflegen der Testmasse 18 (wie in 3 gezeigt) auftreten können, können unmittelbar kompensiert werden, indem im vorliegenden Fall die Aktoren 12u, 12v, 12w mit aufsteigender Stärke ungleichmäßig bestromt werden, sodass insgesamt die Tragplatte 16 stabil in ihrer horizontalen Lage gehalten wird. Um auch Giermomente und tragplattenparallele Linearkräfte kompensieren zu können, sind weiter nur schematisch angedeutete Korrekturaktoren 12p, 12q, 12r vorgesehen, die vorzugsweise als elektrostatische Aktoren ausgebildet sind und in der in 3 durch Pfeile dargestellten Richtung wirken. Bei korrekter Kraftkompensation durch die Stützaktoren 12u, 12v, 12w und nach Korrektur von Verdrehungen oder Verschiebungen der Tragplatte 16, die beispielsweise beim Auflegen der Testmasse 18 entstehen können, sind die Korrekturaktoren 12p, 12q, 12r im Wesentlichen kräftefrei, d. h. sie können ohne Energieverbrauch mit Spannung bzw. Strom Null betrieben werden. Lediglich im Fall des Auftretens einer Störkraft müssen sie zu deren unverzüglicher Kompensation mit einer geeigneten Korrekturspannung beaufschlagt werden.
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Natürlich stellen die in der speziellen Beschreibung diskutierten und in den Figuren gezeigten Ausführungsformen nur illustrative Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung dar. Dem Fachmann ist im Lichte der hiesigen Offenbarung ein breites Spektrum von Variationsmöglichkeiten an die Hand gegeben.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Flotor
- 12a, b, c, d, e, f
- Linearaktor
- 12g, h, i
- Linearaktor
- 12k, m, n
- Rotationsaktor
- 12u, v, w
- Stützaktor
- 12p, q, r
- Korrekturaktor
- 14a, b, c, d, e, f
- Situationsmesseinrichtung
- 14g, h, i
- Situationsmesseinrichtung
- 14k, m, n
- Situationsmesseinrichtung
- 16
- Tragplatte
- 18
- Testmasse
- 20
- Waagschalenbereich von 16
