DE102016213596A1

DE102016213596A1 - Verfahren und Vorrichtung zur linearen und/oder rotatorischen Positionierung

Info

Publication number: DE102016213596A1
Application number: DE102016213596.1A
Authority: DE
Inventors: Axel Kortschack; Christoph Bendlin
Original assignee: SMARACT HOLDING GmbH
Current assignee: SMARACT HOLDING GmbH
Priority date: 2016-07-25
Filing date: 2016-07-25
Publication date: 2018-01-25
Anticipated expiration: 2036-07-26
Also published as: DE102016213596B4

Abstract

Verfahren zur Ansteuerung eines Trägheitsantriebs auf der Basis von Ansteuerimpulsfolgen mit Abschnitten unterschiedlicher Steigungen sowie mit variabler Amplitude und/oder variabler Frequenz, und lineare und/oder rotatorische Antriebsvorrichtung dadurch gekennzeichnet, dass der Betrag und die Richtung des Backlash über den Zeitpunkt gesteuert bzw. vorzugsweise geregelt wird, zu dem die Makrovibration nach dem Anstoßen der steilen Steigung einsetzt, was durch die Form der Ansteuerimpulsfolgen eingestellt werden kann.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der linearen oder rotatorischen Positioniervorrichtungen und entsprechenden Positionierverfahren, und insbesondere ein Verfahren zur linearen und/oder rotatorischen Positionierung eines Objekts, wobei zur Positionierung eine Trägheitsantriebsvorrichtung mit einer Antriebseinheit mit einem Aktor und einer Reibfläche verwendet wird, wobei die Reibfläche bei der Positionierung in Reibkontakt mit einer Objektfläche des Objekts ist, sowie eine solche Trägheitsantriebsvorrichtung und ein entsprechendes Computerprogramm zur Steuerung einer Trägheitsantriebsvorrichtung.
Es ist bekannt, Trägheitsantriebe, z.B. piezoelektrische und elektrostriktive Slip-Stick-Antriebe mit elektrischen Signalen (Ansteuerimpulsfolge) zu versorgen, welche nach Art einer Sägezahnspannung eine flache sowie eine steile Flanke besitzen.
Beim Anliegen der flachen Flanke an einen Aktor eines solchen Slip-Stick-Antriebs nimmt der am Aktor fixierte Reibkörper den sogenannten Läufers mit. Diese Phase wird als Haft-Phase bezeichnet.
Ist die steile Flanke aktiv, kommt es zu einem Durchrutschen zwischen Reibkörper und Läufer. Diese Phase wird als Slip-Phase bezeichnet.
Bei der nächsten flachen Flanke der Impulsfolge wird wiederum der Reibköper in die Lage versetzt, den Läufer bewegungsmäßig mitzunehmen.
Es hat sich gezeigt, dass das erzwungene Durchrutschen zwischen Reibkörper und Läufer während der Slip-Phase nicht vollständig gelingt. So wird der Läufer stets von einer Sollbewegung abgebracht. Dies tritt insbesondere dann auf, wenn die gewünschte Geschwindigkeit des Läufers während der Slip-Phase abgebremst wird, oder, was meist passiert, wenn der Läufer sogar ein Stück in die Richtung der Bewegung des Reibkörpers mitgenommen wird. In diesem Zusammenhang wird von Backlash gesprochen. Die Höhe des Einflusses ist u.a. abhängig von der Kraft des Aktors, der Beschleunigung der Reibfläche, der Geschwindigkeit des Läufers zu Beginn der Slip-Phase, der Masse des Läufers sowie Elastizitäten im Material und äußeren Kräften abhängt.
Dieser Einfluss auf den Läufer während der Slip-Phase ist sehr störend, da er z.B. keine wirklich gleichmäßige Bewegung erlaubt, sondern zu einer alternierenden Geschwindigkeit des Läufers führt. Ebenso wird dadurch die erreichbare Geschwindigkeit des Antriebs reduziert. Der störende Einfluss limitiert auch, wie klein die an den Aktor angelegten Signale werden können, denn bei sehr geringen Amplituden des Sägezahnsignals ist die Rückwärtsbewegung bei der steilen Flanke sehr viel größer als der resultierende, verbleibende Schritt selbst. Das hat zur Folge hat, dass eine Reduzierung der Schrittgröße zu einer Verstärkung unerwünschter Vibrationen des Antriebs führt, da die Vibrationsamplitude bei kleinen Schrittweiten nicht mehr resultierenden der Schrittweite selbst, sondern von der Weite des Backlash dominiert wird.
Ein der vorliegenden Erfindung zugrundeliegendes Ziel ist es, die oben erläuterten Nachteile bzw. Probleme der bekannten Slip-Stick-Antriebskonzepte zu beseitigen oder zumindest zu verringern.
Es ist daher gewünscht, eine Lösung vorzustellen, die es erlaubt, die störenden Einflüsse, die während der Slip-Phase eingebracht werden, zu reduzieren (also einen geringeren Backlash möglich zu machen), zu kompensieren (so dass kein Backlash auftritt) oder sogar umzukehren (also einen „Backlash“ zu bewirken, der in Richtung der gewünschten Bewegung wirkt), ohne dass dabei auf eine Genauigkeit der Bewegung und Positionierung verzichtet werden müsste.
Erfindungsgemäß wird nach einem ersten Aspekt ein Verfahren zur linearen und/oder rotatorischen Positionierung eines Objekts vorgeschlagen, wie es in Anspruch 1 definiert ist, nämlich ein Verfahren zur linearen und/oder rotatorischen Positionierung eines Objekts, wobei zur Positionierung eine Trägheitsantriebsvorrichtung mit einer Antriebseinheit mit einem Aktor und einer Reibfläche verwendet wird, wobei die Reibfläche bei der Positionierung in Reibkontakt mit einer Objektfläche des Objekts ist, mit einem Ansteuern der Antriebseinheit derart, dass die Reibfläche und die Objektfläche zeitweise von einer Haftreibung in eine Gleitreibung übergehen, wobei durch das Ansteuern eine Mikrovibration mit einem Schwingen der Antriebseinheit mit einer Eigenfrequenz der Antriebseinheit und eine darauf bei der Haftreibung folgende Makrovibration mit einem Schwingen der Antriebseinheit gemeinsam mit zumindest dem Objekt mit einer Eigenfrequenz einer Kombination von zumindest der Antriebseinheit und dem Objekt auftreten, wobei das Verfahren ein Einstellen der Trägheitsantriebsvorrichtung und/oder das Ansteuern der Antriebseinheit derart aufweist, dass ein Übergang von der Mikrovibration zu der Makrovibration bei einer vordefinierten Phase und/oder Amplitude der Mikrovibration auftritt.
Erfindungsgemäß wird nach einem zweiten Aspekt eine Trägheitsantriebsvorrichtung zur linearen und/oder rotatorischen Positionierung eines Objekts vorgeschlagen, wie sie in Anspruch 12 definiert ist, nämlich mit einer Antriebseinheit mit einem Aktor und einer Reibfläche und einer Steuereinheit zur Ansteuerung der Antriebseinheit, wobei die Steuereinheit für ein Ansteuern der Antriebseinheit derart ausgestaltet ist, dass die Reibfläche und eine Objektfläche des Objekts zeitweise von einer Haftreibung in eine Gleitreibung übergehen, wenn die Reibfläche und die Objektfläche in Reibkontakt sind, wobei durch das Ansteuern eine Mikrovibration mit einem Schwingen der Antriebseinheit mit einer Eigenfrequenz der Antriebseinheit und eine darauf bei der Haftreibung folgende Makrovibration mit einem Schwingen der Antriebseinheit gemeinsam mit zumindest dem Objekt mit einer Eigenfrequenz einer Kombination von zumindest der Antriebseinheit und dem Objekt auftreten, wobei die Trägheitsantriebsvorrichtung eine Einstelleinheit aufweist, die dazu ausgestaltet ist, die Trägheitsantriebsvorrichtung derart einzustellen und/oder die Steuereinheit zu einem derartigen Ansteuern zu veranlassen, dass ein Übergang von der Mikrovibration zu der Makrovibration bei einer einem der Einstelleinheit vorgegebenen Übergangswert entsprechenden Phase und/oder Amplitude der Mikrovibration auftritt.
Ein Teil des Hintergrunds der vorliegenden Erfindung findet sich in den folgenden Überlegungen.
Es wurde realisiert, dass es bei der für die Slip-Phase genutzten hohen Beschleunigung zu Vibrationen im Trägheitsantrieb kommt, wobei derartige Vibrationen zur Adressierung des Backlash ausgenutzt werden können. Insbesondere kommt es zu einer Mikrovibration, bei der der Aktor und die am Aktor angebrachte bzw. befindliche Reibfläche in der Eigenfrequenz der Antriebseinheit vibrieren, wobei diese Schwingung durch den Reibkontakt zwischen Reibkörper und Läufer gedämpft wird. Wenn der Reibkörper gegenüber der Objektfläche (d.h. dem Läufer) in die Haftreibung übergeht, schwingen die Antriebseinheit und das Objekt (etwa Läufer und Schlitten) gemeinsam mit der Eigenfrequenz der Kombination dieser Elemente (die niedriger ist als die Eigenfrequenz der Antriebseinheit).
Eine Grundlage der vorliegenden Erfindung ist die Realisierung, dass der Zeitpunkt, zu dem der Läufer endgültig auf dem Reibkörper haftet, eingestellt werden kann und dann Einfluss darauf hat, dass die Höhe des verbleibenden Backlash wunschgemäß groß oder klein ausfällt, oder sogar invertiert wird, wenn der Läufer nach jeder Slip-Phase einen scheinbaren Sprung nach vorne, in Richtung der anvisierten makroskopischen Bewegung der Schritte gemacht hat. In der Regel handelt es sich bei dem „Moment der Haftung“ um den Zeitpunkt, zu dem die Makrovibration einsetzt, also der Läufer mit dem Reibkörper gemeinsam schwingt. Das heißt, dass auf die Mikrovibration Einfluss genommen wird, um einzustellen, zu welchem Zeitpunkt diese stoppt. Das kann über verschiedene Maßnahmen einzeln oder in Kombination erfolgen, von denen eine Auswahl später erläutert wird.
Im Zusammenhang mit der Erfindung kann ein Backlash nicht nur entgegen der Bewegungsrichtung wirken bzw. auftreten, sondern auch in die Richtung der Bewegungsrichtung. Somit kann im Folgenden, soweit die Erfindung betroffen ist, von einem Backlash gesprochen werden, unabhängig davon, ob der Backlash in oder gegen die Bewegungsrichtung wirkt.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung eines Aspekts der Erfindung ist ein Bestimmen des Übergangs von der Mikrovibration zu der Makrovibration, wobei das Verfahren ein Regeln des Einstellens der Trägheitsantriebsvorrichtung und/oder des Ansteuerns der Antriebseinheit auf Basis des bestimmten Übergangs umfasst.
Bei ausreichender Kenntnis und ggf. Stabilität aller Einflussgrößen kann es ausreichend sein, eine einmal vorgenommene Einstellung bzw. Wahl einer Ansteuerung beizubehalten, wobei allerdings eine Regelung der Einstellung bzw. Ansteuerweise auf Basis der Ergebnisse von Vorteil ist.
In einer bevorzugten Variante der obigen Ausgestaltung erfolgt das Bestimmen des Übergangs indirekt durch Messen einer durch ein an die Antriebseinheit gegebenes Ansteuersignal bewirkten Positionsänderung des Objekts.
Es ist im Allgemeinen einfacher die zugängliche Messgröße der Positionsänderung des Objekts für eine Regelung zu nutzen, als den im Allgemeinen sensorisch eher schwer zugänglichen Übergang direkt zu bestimmen.
In einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung eines Aspekts der Erfindung wird das Ansteuern mit einem Ansteuersignal mit einen ersten und einen zweiten Ansteuerabschnitt erfolgt, wobei der Übergang in die Gleitreibung mit dem zweiten Ansteuerabschnitt bewirkt wird.
Beispiele einer derartigen Ansteuerung, die z.B. im Grunde (d.h. bis auf die Details zur Einstellung des gewünschten Übergangs) den bekannten Ansteuerungen mit einer flachen und einer steilen Flanke (z.B. Sägezahn) entspricht, sind in 8 gezeigt.
In einer bevorzugten Variante der obigen Ausgestaltung weist zur Einstellung des Auftretens des Übergangs von der Mikrovibration zu der Makrovibration bei der vordefinierten Phase und/oder Amplitude der erste und/oder der zweite Ansteuerabschnitt des Ansteuersignals wenigstens eine Unstetigkeit in einer zeitlichen Ableitung auf.
Diese Unstetigkeit in einer zeitlichen Ableitung kann eine Unstetigkeit in einer ersten Ableitung sein, wie dies bei den in 8 gezeigten Beispielen der Fall ist, wobei die Unstetigkeit allerdings auch beispielsweise in der zweiten Ableitung vorliegen kann.
In einer weiteren bevorzugten Variante der obigen Ausgestaltung bewirkt der erste Ansteuerabschnitt eine Bewegung des Objekts in Haftreibung mit der Reibfläche.
Wenn zwischen der Reibfläche und dem Objekt eine Haftreibung besteht, kann dies genutzt werden, um das Objekt durch eine entsprechende Auslenkung des Aktors zu bewegen, wobei hierbei dann insbesondere eine Positionierung erreichet werden kann, die der Auflösung des Aktors entspricht, also im Nanometerbereich liegt.
In einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung eines Aspekts der Erfindung erfolgt das Ansteuern mit einem Ansteuersignal mit einem ersten, zweiten, dritten und vierten Ansteuerabschnitt erfolgt, wobei die Gleitreibung jeweils mit dem zweiten und dem vierten Ansteuerabschnitt bewirkt wird, wobei eine makroskopische Bewegungsrichtung der Antriebseinheit im zweiten Ansteuerabschnitt entgegengesetzt zu einer makroskopischen Bewegungsrichtung der Antriebseinheit im vierten Ansteuerabschnitt ist.
Die Erfindung erlaubt auch beispielsweise eine Nutzung eines Ansteuersignals, das einem modifizierten Rechtecksignal ähnelt, wie es in 9 gezeigt ist.
In einer bevorzugten Variante der obigen Ausgestaltung weist zur Einstellung des Auftretens des Übergangs von der Mikrovibration zu der Makrovibration bei der vordefinierten Phase und/oder Amplitude der zweite und/oder der vierte Ansteuerabschnitt des Ansteuersignals wenigstens eine Unstetigkeit in einer zeitlichen Ableitung auf.
Diese Unstetigkeit in einer zeitlichen Ableitung kann eine Unstetigkeit in einer ersten Ableitung sein, wie dies bei den in 9 gezeigten Beispielen der Fall ist, wobei die Unstetigkeit allerdings auch beispielsweise in der zweiten Ableitung vorliegen kann.
In einer weiteren bevorzugten Variante der obigen Ausgestaltung bewirken der erste und/oder der dritte Ansteuerabschnitt keine makroskopische Bewegung der Antriebseinheit.
Es ist nicht notwendig, dass diese Ansteuerabschnitte selbst eine Bewegung in makroskopischer Hinsicht bewirken, wobei diese Abschnitte z.B. auch lediglich dazu genutzt werden können, dem aus Trägheitsantriebsvorrichtung und Objekt gebildeten System Zeit zum Abklingen von Vibrationen zu lassen.
In einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung eines Aspekts der Erfindung erfolgt das Ansteuern mit einer Folge von Ansteuersignalen mit jeweils zwei oder mehr Ansteuerabschnitten erfolgt, wobei sich wenigstens zwei der Ansteuersignale unterscheiden.
Anders als bei herkömmlichen Ansteuerungen für Trägheitsantriebe, die in der Regel eine periodische Wiederholung ansonsten im Wesentlichen gleicher Signalpulse vorsehen, besteht im Rahmen der Erfindung für eine derartige Wiederholung keine Notwendigkeit, wobei zudem insbesondere im Zusammenhang mit einer Regelung jeder Ansteuerabschnitt in Abhängigkeit etwa von Messergebnissen individuell bestimmt werden.
In einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung eines Aspekts der Erfindung umfasst das Einstellen (101) der Trägheitsantriebsvorrichtung ein Einstellen einer für die Eigenfrequenz der Antriebseinheit relevanten Masse, ein Einstellen einer Kraft des Aktors, ein Einstellen einer Steifigkeit der Antriebseinheit und/oder ein Einstellen einer Anpresskraft zwischen Reibfläche und Objektfläche umfasst.
Die Erfindung ist nicht darauf beschränkt, durch lediglich die Details der Ansteuerung bzw. der Ansteuersignale den gewünschten Übergang zu bewirken, da ein entsprechender Einfluss auch über die körperlichen Eigenschaften der Trägheitsantriebsvorrichtung erreicht werden kann.
Im Rahmen der Erfindung kann auch vorgesehen sein, mehrere Kurvenformen mit unterschiedlicher Form vorzusehen, aus denen ausgewählt werden kann, um den jeweiligen Umständen entsprechende, gut geeignete Übergänge zu erzielen. So ist es z.B. gut, wenn ein großer Backlash in die Fahrtrichtung erzielt wird, wenn man möglichst zügig fahren möchte, ohne viel Energie in das System zu stecken. Wenn man aber langsamer verfährt, kann eine Kurvenform gewählt werden, bei der der Backlash möglichst gering ausfällt, so dass der Positionierer möglichst wenig vibriert.
Erfindungsgemäß wird nach einem weiteren Aspekt ein Computerprogramm mit Programmmitteln vorgeschlagen, die eine Trägheitsantriebsvorrichtung zur linearen und/oder rotatorischen Positionierung eines Objekts, mit einer Antriebseinheit mit einem Aktor und einer Reibfläche und einer Steuereinheit zur Ansteuerung der Antriebseinheit beispielsweise im Sinne eines Slip-Stick-Antriebs dazu veranlassen, die Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens nach Anspruch 1 auszuführen, wenn das Computerprogramm auf der Trägheitsantriebsvorrichtung bzw. in deren Steuerung ausgeführt wird. Das Computerprogramm kann auf einem geeigneten Speichermedium, etwa einem optischen Speichermedium oder einem nicht-flüchtigen elektronischen Speichermedium, vorgesehen, gespeichert und/oder vertrieben werden. Es kann auch zusammen mit oder als Teil einer Hardware-Komponente bereitgestellt werden. Das Computerprogramm kann auch auf andere Weise bereitgestellt werden, etwa über das Internet oder über drahtgebundene oder drahtlose Telekommunikationsmittel.
Merkmale vorteilhafter Ausführungsformen der Erfindung sind insbesondere in den Unteransprüchen definiert, wobei weitere vorteilhafte Merkmale, Ausführungen und Ausgestaltungen für den Fachmann zudem aus den obigen Erläuterung und der folgenden Diskussion zu entnehmen sind.
Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand von in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen weiter illustriert und erläutert. Hierbei zeigt
1 eine schematische Darstellung zur Illustration des Konzepts eines bekannten Trägheitsantriebs und seiner Ansteuerung,
2 eine schematische Darstellung verschiedener Kurvenformen für Signale zur Ansteuerung eines Trägheitsantriebs,
3 eine schematische Illustration eines Verhaltens eines bekannten Trägheitsantriebs mit Sägezahnansteuerung,
4 einen Vergleich des resultierenden Bewegungen bei unterschiedlichen Ansteueramplituden,
5 eine schematische und idealisierte Darstellung der Bewegung eines Reibkörpers nach eine Anlegung eines Sägezahnimpules,
6 eine schematische Illustration zu Erläuterung von Konsequenzen einer Beeinflussung der Mikrovibration,
7 zeigt qualitativ Positionsverläufe des Läufer entsprechend den Beispielen aus 6,
8 zeigt schematisch Beispiele von Veränderungen an der steilen Flanke eines Sägezahnsignals entsprechend von Ausführungsbeispielen der Erfindung,
9 zeigt eine Illustration eines Ausführungsbeispiels, bei dem zur Ansteuerung ein modifiziertes Rechtecksignal verwendet wird,
10 ein schematisches Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens und
11 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Trägheitsantriebsvorrichtung.
In den beiliegenden Zeichnungen sowie den Erläuterungen zu diesen Zeichnungen sind einander entsprechende bzw. in Beziehung stehende Elemente – soweit zweckdienlich – mit jeweils entsprechenden oder ähnlichen Bezugszeichen gekennzeichnet, auch wenn sie in unterschiedlichen Ausführungsbeispielen zu finden sind.
1 zeigt eine schematische Darstellung zur Illustration des Konzepts eines bekannten Trägheitsantriebs und seiner Ansteuerung.
Bei dem bekannten Trägheitsantrieb ist ein Aktor 12 vorgesehen, der mit einem sägezahn-ähnlichen, periodischen Signal (Ansteuerimpulsfolge) beaufschlagt wird, um einen Läufer 11 relativ zu einer stationären Komponente 13 zu bewegen.
In der Spalte „A“ der 1. ist eine Anordnung in verschiedenen Zuständen dargestellt, bei der der Aktor 2 an der stationären Komponenten 13 des Antriebs befestigt ist. Ein Reibkörper 14 ist an der beweglichen Seite des Aktors 12 befestigt. Dieser Reibkörper 14 steht in Reibkontakt mit dem zu bewegenden Läufer 11. Das an den Aktor 12 angelegte Signal 15 ist in Spalte „B“ der 1 dargestellt.
Wird der Aktor 12 mit dem sägezahn-ähnlichen, periodischen Signal beaufschlagt, erfährt der Reibköper 14 unterschiedlich hohe Beschleunigungen, nämlich eine geringe Beschleunigungen während der flachen Flanke und eine hohe Beschleunigung während der steilen Flanke. Bei einer niedrigen Beschleunigung des Aktors 12 bzw. des Reibkörpers 14 folgt der Läufer 11 aufgrund des Reibschlusses (Haftreibung) dem Reibkörper 14. Bei einer hohen Beschleunigung des Aktors 12 bzw. des Reibkörpers 14 hingegen rutscht der Läufer 11 relativ zum Reibkörper 14 durch (Gleitreibung), sobald die Trägheitskraft des Läufers 11 größer als die (Haft-)Reibungskraft zwischen Läufer 11 und Aktor 12 (bzw. Reibfläche 14) wird. Wenn mehrere Schritte durchgeführt werden, können makroskopische Bewegungen realisiert werden.
Über die Richtung des Sägezahns kann die Bewegungsrichtung des Läufers 11 vorgegeben werden.
2 zeigt eine schematische Darstellung verschiedener Kurvenformen für Signale zur Ansteuerung eines Trägheitsantriebs
Trägheitsantriebe können mit Signalen verschiedener Kurvenformen angesteuert werden. Eine Auswahl an typischen Kurvenformen zeigt 2. Hierbei folgt einer Phase hoher Beschleunigung jeweils eine entgegengesetzte Phase mit geringer Beschleunigung (bzw. umgekehrt).
Darstellt sind eine Sägezahnkurve 21, eine demgegenüber abgewandelte Variante 22, bei der die flache Flanke eine Steigung aufweist, die über den Verlauf der Flanke abnimmt, eine andere abgewandelte Variante 23, der die flache Flanke eine Steigung aufweist, die über den Verlauf der Flanke zunimmt, eine Sägezahn-ähnliche Kurve 24, bei der die flache Flanke und die steile Flanke jeweils von einem konstanten Bereich getrennt sind, bei der Kurve 25, bei der jeweils ein Sägezahn (aus flacher und steiler Flanke) zwischen zwei konstanten Bereichen vorgesehen ist, und eine Kurve 26 mit parabolischen Abschnitten.
Gezeigt sind jeweils etwas mehr drei Perioden, wobei die Signalform nicht notwendigerweise periodisch sein muss.
In der vorliegenden Beschreibung wird zumeist aus Gründen der Einfachheit, Verständlichkeit und Übersichtlichkeit jeweils zur Erläuterung Bezug auf eine Sägezahnkurve genommen. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht hierauf beschränkt und kann auch auf alle anderen für Trägheitsantriebe geeigneten Kurvenformen und weitere Ansteuerimpulsfolgen angewandt werden, wobei auch keine Beschränkung auf die in 2 illustrierten Ansätze besteht.
3 zeigt eine schematische Illustration eines Verhaltens eines bekannten Trägheitsantriebs mit Sägezahnansteuerung.
Trägheitsantriebe stellen eine mechanisch einfache Möglichkeit dar, über größere Distanzen mit einer hohen Bewegungsauflösung zu positionieren.
Diese Antriebe haben jedoch den bereits beschriebenen Nachteil, dass es während der Slip-Phase nicht zu dem eigentlich wünschenswerten, idealen Durchrutschen des Läufers auf der Reibfläche kommt. Stattdessen wird die Bewegung des Läufers durch die Bewegung des Reibkörpers während der Slip-Phase beeinflusst, so dass eine unerwünschte Bewegung, bzw. Geschwindigkeitsänderung auf den Läufer aufgebracht wird. Erfahrungsgemäß wird der Läufer während der Slip-Phase von dem Reibkörper ein Stück in die entgegengesetzte Richtung der makroskopischen Bewegung mitgerissen. Ist die Masse des Läufers oder eine andere am Läufer befestigte Masse groß genug, dann kommt es zum Teil wegen der Massenträgheit nicht zu einer Bewegungsrichtungsumkehr, aber zumindest zu einer Reduktion der Geschwindigkeit des Läufers. Auch eine mechanisch sehr steife Ausführung der Antriebseinheit, bestehend aus Aktor und Reibkörper, gepaart mit einer sehr hohen Beschleunigung kann den Effekt des Backlash nicht verhindern, da der Aktor stets eine nur begrenzte Kraft aufbringen kann, so dass die effektive Masse des Aktors und die Masse des Reibkörpers nur bis zu einem gewissen Grad beschleunigt werden können.
Unter „Backlash“ wird üblicherweise verstanden, dass der Läufer aufgrund der Slip-Phase entweder nur abgebremst wird oder sogar eine kurzfristige Bewegungsrichtungsumkehr erfährt.
Ein solcher Backlash bringt Probleme mit sich, die je nach Ausprägung der Antriebsvorrichtung und je nach Ansteuerverfahren unterschiedlich ausfallen können.
3 zeigt das übliche Verhalten eines Trägheitsantriebs, bei dem der Läufer jedes Mal nach der Slip-Phase ein Stück entgegengesetzt der eigentlichen Bewegungsrichtung gezogen wurde. Die untere Sägezahnkurve 31 entspricht der vereinfachten Bewegung des Reibkörpers, welche dem an einen Aktor angelegten Sägezahnsignal entspricht. Im oberen Teil ist als gepunktete Kurve 32 die auftretende Verschiebung des bewegten Läufers abgebildet. Während der flachen Flanke bewegt sich dieser synchron mit dem Reibkörper, da eine Haftreibung vorliegt. Bei der steilen Flanke (der Slip-Phase), löst sich der Läufer vom Reibkörper, so dass diese relativ zueinander verrutschen. Dies erfolgt jedoch nicht perfekt. Daher wird der Läufer typischerweise ein Stück mit dem Reibkörper mitgezogen, was dann in dem unerwünschten Backlash resultiert.
Ein durch die Slip-Phase erzeugter Backlash B (also eine Bewegungsrichtungsumkehr oder ein Abbremsen) reduziert die verbleibende Schrittweite S nach jedem Schritt L (B + S = L), so dass der Antrieb langsamer wird. Dieses Verhalten kann zu bisweilen starken Vibrationen führen, was insbesondere für Präzisionsaufgaben störend ist.
4 zeigt einen Vergleich des resultierenden Bewegungen bei unterschiedlichen Ansteueramplituden.
Bei Nutzung geringer Amplituden für die Ansteuersignale oder bei einer hohen eingestellten Kraft der Antriebe, führt die durch die Slip-Phase beeinflusste Läuferposition der Slip-Phase zu einem starken Backlash und somit zu Vibrationen, die störend sind. Das kann der 4 entnommen werden. Hier sind für einen Läufer dreimal die Positionsveränderungen dargestellt, die sich jeweils ergeben, wenn der Aktor mit unterschiedlich hohen Amplituden betrieben wird. Die Kurve 41 zeigt das Ergebnis einer Ansteuerung mit einer großen Amplitude. Die Kurve 42 zeigt das Ergebnis einer Ansteuerung mit einer mittleren Amplitude und die Kurve 43 zeigt das Ergebnis einer Ansteuerung mit einer kleinen Amplitude. Je geringer die Amplitude des gewählten und angelegten Sägezahnsignals ist, desto größer ist der Backlash im Vergleich zum resultierenden Schritt. Im Fall der kleinen Amplitude dominiert der Backlash sogar die Bewegung des Läufers und es findet je Schritt kaum eine verbleibende Bewegung statt. Stattdessen erfährt der Läufer im Wesentlichen lediglich eine starke Vibration.
5 zeigt eine schematische und idealisierte Darstellung der Bewegung eines Reibkörpers nach eine Anlegung eines Sägezahnimpules.
Nach jeder steilen Flanke kommt es zu Vibrationen im Antrieb. In diesem Zusammenhang kann zwischen zwei Vibrationsarten, die durch die steilen Flanken erzeugt werden, unterschieden werden. Dabei handelt es sich um die sogenannte Mikrovibration und die sogenannte Makrovibration.
Diese Phasen der Vibration sind in der 5 dargestellt. Zu sehen ist die Position bzw. Bewegung 51 des am Aktor befestigten Reibkörpers bei dem Anlegen eines Sprungs, so wie es während der steilen Flanke der Fall ist.
Bei der Mikrovibration werden der Aktor und die an dem Aktor befestigte Reibfläche (im Folgenden aus Gründen der Einfachheit auch als „Antriebseinheit“ bezeichnet) nach jeder steilen Flanke zu einer Vibration mit dessen Eigenfrequenz angeregt. In der Realität gehören zur Antriebseinheit noch weitere Elemente, wie z.B. Stützstrukturen und Vorspanneinrichtungen, die selbstverständlich bei der dynamischen Betrachtung berücksichtigt werden müssen. Der Einfachheit halber wird die Antriebseinheit in der Beschreibung auf den Aktor und die Reibfläche beschränkt. Die Antriebseinheit oszilliert also nach jeder steilen Flanke mit der Eigenfrequenz. Die Schwingung wird gedämpft durch den Reibkontakt zwischen Reibkörper und Läufer, so dass die Mikrovibration in der Regel schnell abgeklungen ist. Die Phase der Mikrovibration ist in der 5 der Bereich der ersten zwei Schwingungsperioden (Abschnitt 52).
Wenn der Reibkörper von der Gleitreibung in die Haftreibung übergeht, schwingen die Antriebseinheit und der in Haftung befindlichen Schlitten in der Makrovibration gemeinsam mit einer niedrigeren Eigenfrequenz, da bei unveränderter Steifigkeit der Antriebseinheit nun die Masse des Läufer dazu kommt. Auch hier gehören in der Realität noch weitere Komponenten dazu, wie z.B. die Führung des Schlittens und Vorspanneinheiten, die ebenfalls bei einer dynamischen Betrachtung berücksichtigt werden müssen. Da die Berücksichtigung für die Beschreibung des erfinderischen Gedankens aber nicht nötig ist, werden solche Komponenten in der Beschreibung nicht beschrieben oder dargestellt. Die Makrovibration erfolgt in der 5 im Abschnitt 53, also rechts von (zeitlich nach) der Mikrovibration in Abschnitt 52. Es ist zu sehen, dass die Frequenz der Makrovibration (im Allgemeinen sogar deutlich) geringer ist als die Frequenz der Mikrovibration.
In der Publikation „Performance improvements for stick-slip positioners" von „A. Bergander und J. M. Breguet (Int. Symp. on Micromechatronics and Human Science, Seiten 59–66, 2003) werden beide Arten der Vibrationen detailliert erklärt. Dort wird erläutert, wodurch die Vibrationen beeinflusst werden können. Dazu gehört z.B. der Anpressdruck zwischen Reibkörper und Läufer, die Materialkombination. Der Kern der Publikation ist, dass die Vibrationen auch über die Signalform massiv reduziert werden können. So ist es möglich durch die Wahl der Signalform die Vibrationen (Mikrovibration und Makrovibration) zu reduzieren, so dass der Trägheitsantrieb auch bei hohen Frequenzen noch betrieben werden kann, ohne dass es zu einem unvorhersehbaren Verhalten des Antriebs kommt. Diese Technik wird „Signal Shaping“ genannt und kann gut in Kombination mit dem erfinderischen Gedanken eingesetzt oder kombiniert werden.
6 zeigt eine schematische Illustration zu Erläuterung von Konsequenzen einer Beeinflussung der Mikrovibration, wobei anhand von 6 näher erläutert wird, inwieweit, bzw. mit welchem Ziel auf die Mikrovibration Einfluss genommen werden soll bzw. kann.
In 6 sind drei Graphen zu sehen. Im obersten Graph 61 ist das an den Aktor angelegte Steuersignal zu sehen. In dem dargestellten Fall handelt es sich um eine einfache Sägezahnkurve. Im Graphen 62 darunter ist die Bewegung des am Aktor befestigten Reibkörpers zu sehen. Der durch die steile Flanke der Sägezahnkurve induzierten Mikrovibration (Abschnitt 64) folgt die Makrovibration (Abschnitt 65). Zu sehen ist, dass die Mikrovibration nach einer steilen Flanke auftritt. Es handelt sich um die Vibration des Reibkörpers auf der Reibfläche des Läufers. Es ist bekannt, dass der Läufer diese Mikrovibrationen nicht mitmacht. Der Läufer macht in dieser Phase zwar auch Bewegungen, aber diese sind nicht an den Reibkörper gekoppelt. Je nachdem, an welcher Stelle der Reibkörper nun in Haftung mit dem Schlitten bzw. Läufer geht, resultiert dies in einer Bewegung des Läufers, die dem Backlash entgegenwirkt oder diesen verstärkt. Der Graph 63 zeigt zunächst die Position des Läufers vor der steilen Flanke, aufgrund der Haftreibung dem Reibkörper folgend.
Im ersten zu betrachtenden Fall setzt die Makrovibration erst am Ende des Abschnitts 64 ein. Es wird hierbei angenommen, dass der Läufer einen Backlash in der Strecke von „c“ erfahren hat. So mit bewegt sich der Läufer auf der Kurve 67 und nicht auf der Idealkurve 66 (einer Fortsetzung der Kurve 63).
Wenn nun erfindungsgemäß gezielt beeinflusst wird, zu welchem Zeitpunkt nach der steilen Flanke die Makrovibration einsetzt, ist es möglich, den Betrag des Backlash massiv zu beeinflussen, auszulöschen oder diesen sogar umzukehren. Das ist ebenfalls anhand der 6 gezeigt.
Beispiele zu Maßnahmen zur Beeinflussung des Übergangs zur Makrovibration werden weiter unten diskutiert, während es eine der Erfindung zugrunde liegende Erkenntnis ist, dass diese Beinflussung zur Einstellung oder gar Regelung des Backlash genutzt werden kann.
Im zweiten Fall soll der Übergang von der Mikrovibration zum Zeitpunkt t₁ erfolgen. Im diesem Beispiel liegt der Übergang im Minimum der ersten Schwingung. In diesem Zustand ist die Antriebseinheit aufgrund der Schwingung um den Betrag a verformt. Nach dem Ausschwingen würde die Antriebseinheit eine um die Länge a veränderte Läge im Vergleich zum Zeitpunkt t₁ annehmen, wenn keine veränderlichen Steuersignale an den Aktor angelegt werden. Die um den Betrag a verformte Antriebseinheit verändert also ihre Länge um a zuzüglich der Längenänderung durch die an den Aktor angelegten Steuersignale. Im gewählten Beispiel wirkt die Strecke a dem Backlash entgegen, so dass nach der Mikrovibration der Läufer entsprechend der Kurve 68 bewegt wird. Es sei angemerkt, dass die Mikrovibration in dem Beispiel schon zum Zeitpunkt t₁ aussetzt und die Makrovibration also ebenfalls zum Zeitpunkt t₁ einsetzt, und nicht erst, wie im unteren Teil von 6 dargestellt, hinter dem Abschnitt 64. Die 6 ist an dieser Stelle stark vereinfacht, um einen direkten Vergleich der Kurven zu ermöglichen und die Darstellung simpel zu halten. Daher soll für den dritten Graph angenommen werden, dass die Bewegung des Läufers innerhalb des Abschnitts 64 nicht dargestellt wird, sondern erst hinter dem Abschnitt 64 aufgetragen wird, unabhängig zu welchem Zeitpunkt die Makrovibration einsetzt.
Wenn die Haftreibung jedoch erst im Maximum der ersten Schwingung zum Zeitpunkt t₂ einsetzt, wird der Backlash im Gegensatz zum ersten Fall um die Strecke b vergrößert. Die Argumentation erfolgt analog zum zweiten Fall, wobei sich dann die Bewegung entsprechend der Kurve 69 ergibt.
Mit einer Steuerung (oder ggf. sogar Reglung) des Zeitpunkts gesteuert, zu dem der Reibkörper nach der steilen Flanke auf dem Läufer in Haftung übergeht, ist es auf einem überraschend einfachen Weg möglich, die Höhe des Backlash zu steuern und falls gewünscht auch zu regeln.
Entsprechend den in 6 beschriebenen Beispielen ergeben sich die in 7 qualitativ dargestellten Verläufe der Position für den Läufer.
Um eine übersichtlichere Darstellung zu ermöglichen, ist die Startposition für jede Kurve unterschiedlich gewählt worden, so dass die Kurven einander nicht überlappen. Die Kurve 71 entspricht dem herkömmlichen Verlauf der Position für den Läufer (vgl. Kurve 67 in 6). Die Kurve 72 stellt den Fall da, zu dem die Makrovibration zum Zeitpunkt t₁ einsetzt, so dass der Backlash nicht nur ausgeglichen wird, sondern der Läufer sogar nach bei jeder steilen Flanke scheinbar nach vorne gezogen wird, mit dem Ergebnis, dass jeder Schritt sehr weit wird, was zu einer schnelleren Bewegung des Läufers führt (vgl. Kurve 68 in 6). Die Kurve 73 stellt den Fall da, bei dem die Makrovibration zum Zeitpunkt t₂ einsetzt, bei dem der ursprüngliche Backlash vergrößert wird, so dass die verbleibende Schrittweite klein wird (vgl. Kurve 69 in 6).
Es gibt verschiedene Möglichkeiten, wie der Zeitpunkt für den Übergang eingestellt werden kann, wobei im Folgenden einige Beispiele genannt werden, ohne dass dies bedeuten würde, dass die Erfindung nicht auch auf andere Weise realisiert werden kann.
Solange über den Zeitpunkt des Übergangs von der Mikrovibration auf die Makrovibration der Backlash (in Betrag und/oder Richtung) gesteuert wird, ist es lediglich eine Frage der Implementierung, wie dieses Resultat erzielt wird.
Es sei darauf hingewiesen, dass es vor einem permanenten Übergang zur Makrovibration zu einem mehrfachen Wechsel zwischen Haft- und Gleitreibung kommen kann, z.B weil der schwingende Reibkörper während der Schwingung immer wieder die gleiche Relativgeschwindigkeit wie der Läufer hat, so dass es ganz kurzfristig zu Haftreibung kommt. Aber da der Reibkörper aufgrund der Schwingung zu hohe Beschleunigungen erfährt, geht der Reibkontakt gleich wieder in eine Gleitreibung über, so dass es nicht zum Effekt der Makrovibration kommt. Das ist für die Erfindung kein Problem. Für die Erfindung zählt der Zeitpunkt, zu dem der Reibköper für den Rest des Schrittabschnitts in Haftreibung übergeht, so dass es zur Makrovibration kommt.
Es folgen einige Bespiele zur Beeinflussung des Zeitpunktes des Übergangs von der Mikrovibration auf die Makrovibration.
Besonders interessant ist die Beeinflussung des Übergangs, wenn der nicht nur zu Steuerung des zeitlichen Übergangs von der Mikro- auf die Makrovibration genutzt wird, sondern tatsächlich für die Regelung des Übergangs, so dass auf veränderliche Randbedingungen oder Anforderungen reagiert werden kann. Daher soll grundsätzlich angenommen werden, dass die Technik sowohl für die Steuerung des Übergangs, als auch für die Regelung verwendet werden kann.
Vor allem kann durch die Kurvenform der angelegten Signale oder durch mechanische Ausprägungen des Trägheitsantriebs auf den Zeitpunkt des Übergangs von der Mikrovibration auf die Makrovibration nach der Einleitung der Slip-Phase Einfluss genommen werden. Selbstverständlich kann das auch in Kombination der Signalform und der Mechanik erfolgen.
Zunächst folgen Beispiele für die Beeinflussung des zeitlichen Übergangs durch die Kurvenform, wobei diese miteinander beliebig kombiniert werden können, um den zeitlichen Übergang von Mikro- auf Makrovibration nach der Einführung der Slip-Phase einzustellen. Die zeitliche Streckung für die Verläufe sind für die Beispiele so gewählt worden, dass die Visualisierung gut möglich ist. Die Kurvenformen sollen z.B. keine Aussage über das zeitliche Verhältnis zwischen der langsamen und der steilen Flanke festlegen.
Eine besonders einfache Einstellmöglichkeit besteht darin, lediglich die Steilheit der steilen Flanke gezielt einzustellen, um damit den zeitlichen Übergang nach Einführung des Slips einzustellen. So ist es z.B. möglich über eine feste steile Flanke zu arbeiten, so dass sich, bei einer angenommenen unveränderlichen Amplitude ein fester Zeitpunkt für den Übergang ergibt. Um besser auf Veränderungen, wie z.B. veränderliche Umweltbedingungen reagieren zu können, bietet es sich an, die Steilheit der Flanke als Regelparameter nachzuführen, so dass der Übergang wunschgemäß eingestellt und gehalten werden kann.
Auch die Änderung der Amplitude des Steuersignals kann genutzt werden, um den Zeitpunkt des Übergangs einzustellen. Wie zuvor ist es selbstverständlich möglich, die Amplitude entweder fest zu setzen oder als Regelparameter zu nuten. Die Möglichkeit zu Regelung besteht grundsätzlich für alle beispielhaft genannten Einflusskriterien.
Es ist auch möglich, die steile Flanke zu verändern, so dass es zu einem zeitlichen Verschieben des Übergangs kommt, indem die steile Flanke z.B. eine zeitliche Unterbrechung erfährt oder sogar kurzfristige Richtungsumkehr erfolgt.
Einige Beispiele dafür sind in der 8 dargestellt, wobei die Ordinate jeweils die Signalamplitude in willkürlichen Einheiten dargestellt.
8a) zeigt ein Beispiel, bei dem die steile Flanke des Steuersignals unterbrochen wird. Hier ist es z.B. möglich, über die Länge der Unterbrechung Einfluss auf den Übergang von der Mikro- auf die Makrovibration Einfluss zu nehmen, was, wie auch in allen andern Beispielen, vorzugsweise in einem Regelkreis genutzt werden kann, um den Zeitpunkt des Übergangs nach der Einführung der steilen Flanke zu regeln. Dabei können neben der Dauer auch weitere Parameter genutzt werden, wie z.B. die Häufigkeit der Unterbrechungen auf einer steilen Flanke, oder die Höhe, auf der eine Unterbrechung oder sogar mehrere Unterbrechungen erfolgen sollen. Sollten mehrere Unterbrechungen vorgesehen sein, so können die Parameter für jede der Unterbrechungen individuell gesetzt werden, oder eben auch für alle gleich.
8b) zeigt ein Beispiel, bei dem die steile Flanke des Steuersignals eine kurzfristige Richtungsumkehr erfährt. Wobei auch hier alle Parameter, wie beispielsweise die Steilheit, die Dauer der Richtungsumkehr, die Amplitude der Richtungsumkehr, die Höhe der Richtungsumkehr und die Häufigkeit der Richtungsumkehr genutzt werden können um den Zeitpunkt des Übergang von der Mikro- auf die Makrovibration einzustellen und vorzugsweise zu regeln.
8c) zeigt ein Beispiel, bei dem vor der steilen Flanke veränderliche Beschleunigungen eingebracht werden, um damit auf den Zeitpunkt des Übergangs von der Mikrovibration auf die Makrovibration Einfluss zu nehmen. Selbstverständlich sind die Parameter, wie beispielsweise die Amplitude, Dauer, die Häufigkeit und der Zeitpunkt beliebig einstellbar und haben alle Einfluss auf den Zeitpunkt des Übergangs.
8d) zeigt ein ähnliches Beispiel wie in 8c), insofern, als das vor der steilen Flanke eine veränderliche Beschleunigung eingebracht wird, wobei es sich hier im eine Signalüberhöhung handelt, die kurzfristig eine Beschleunigung entgegengesetzt der Beschleunigung der eigentlichen steilen Flanke entspricht.
8e) zeigt ein weiteres Beispiel, bei dem nach der steilen Flanke die eine Signalüberhöhung eingebracht wird.
8f) zeigt ein weiteres Beispiel, bei dem die nach der steilen Flanke mehrere kurzfristige Beschleunigungen eingebracht werden.
Die kleine gezeigte Auswahl soll keineswegs die Erfindung auf die Wahl einer dieser Kurven einschränken. Andere Kurvenformen, über die der zeitliche Übergang von der Mikro- auf die Makrovibration nach der Einleitung der steilen Flanke eingestellt werden kann, so dass damit der Betrag und die Amplitude des Backlash gesteuert oder gar geregelt werden können, sind selbstverständlich möglich.
Es ist auch keineswegs nötig, dass die Änderungen immer schlagartig erfolgen müssen, oder dass die Kurvenform sich aus geraden Segmenten zusammensetzt. Wie bereits erläutert können auch ganz andere Kurvenformen genutzt werden. So können die Signalverläufe z.B. auch parabolisch sein oder auch parabolische Segmente aufweisen.
Interessant für die praktische Nutzung ist auch, dass aufgrund des erfindungsgemäß einstellbaren, bzw. regelbaren Backlash auf die üblicherweise Abwechslung von steiler Steigung und flacher Steigung verzichtet werden kann.
In 9 ist das beispielhaft anhand einer Illustration eines Ausführungsbeispiels, bei dem zur Ansteuerung ein modifiziertes Rechtecksignal verwendet wird, dargestellt. Als Signalform wird in dem Beispiel eine Art Rechtecksignal angelegt, welches den Läufer bei jeder Flanke stets in dieselbe Bewegungsrichtung vorantreibt. Das ist aufgrund der erfindungsgemäßen Einstellung des Backlash in Betrag und Richtung möglich. Es muss lediglich für die Flanken eine Form gewählt werden, die dazu führt, dass der Übergang von der Mikroauf die Makrovibration zu dem Zeitpunkt nach der Einleitung der Flanken eintritt, so dass sich nach jeder Flanke eine verbleibende Bewegung des Läufers in die gewünschte Richtung ergibt.
Im oberen Teil von 9 wird anhand von Kurve 91 die Position des Läufers in einer Weise illustriert, die ähnlich zu der von 6 ist. Im unteren Teil von 9 wird anhand von Kurve 92 das entsprechende Ansteuersignal illustriert.
In der 9 sind zur Verdeutlichung dafür, dass die Flanken eine entsprechende Ausprägung aufweisen können, die beispielhaften Formen aus 8a) und 8b) gewählt worden. Bei einer geeigneten erfindungsgemäßen Steuerung oder Regelung des Backlash über die geeignete Wahl oder sogar Regelung der Form Ansteuerkurven ist es möglich, dass der Läufer stets in eine Bewegungsrichtung bewegt wird, obwohl die steile Flanke mal steigend und mal fallend ist. Selbstverständlich sind die Kurvenformen in 9 lediglich als Beispiel gewählt worden. Es ist jede Kurvenform möglich, mit der erfindungsgemäß Einfluss auf den Übergang von der Mikro- auf die Makrovibration genommen werden kann.
Da der Backlash erfindungsgemäß einstellbar, bzw. sogar regelbar ist, bietet sich für den Anwender damit die Möglichkeit, eine Richtung- oder Lastabhängigkeit des Antriebs zu kompensieren. Angenommen, dass der Antrieb in einer ersten Richtung einen größeren negativen Backlash aufweist als in einer zweiten Richtung, dann kann der negative Backlash für die Bewegungsrichtung erfindungsgemäß eingestellt werden, während die Kurvenform für die zweite Richtung anders gewählt werden, um den dort auftretenden Backlash wunschgemäß einzustellen.
Es lassen sich auch weitere externe Umweltbedingungen, wie z.B. veränderliche Temperaturen (z.B. erhöhte Temperaturen, Raumtemperaturen, Cryotemperaturen) oder veränderliche Einsatzmedien (Flüssigkeiten, Luft, ...) und unterschiedliche Drücke (z.B. Vakuum, Umgebungsdruck, Überdruck) bei einer Regelung des Backlash kompensieren.
Selbstverständlich lassen sich auch veränderliche interne Einflüsse, also Einflüsse, die im Inneren des Antriebs entstehen, wie z.B. veränderliche Anpressdrücke zwischen den Reibflächen oder veränderliche Reibflächenoberflächen über die Regelung des Backlash kompensieren.
Die Erfindung bietet die neue Möglichkeit nun neben der Frequenzregelung oder der Amplitudenregelung zu Beeinflussung der Geschwindigkeit nun auch die Kurvenform zu variieren um damit über die Steuerung, bzw. sogar die Regelung des Zeitpunkts des Übergangs von der Mikro- auf die Makrovibration die pro Schritt resultierende verbleibende Schrittweite und damit die Geschwindigkeit des Antriebs zu verändern, oder gar zu regeln.
Neben der Möglichkeit, durch die Signalform Einfluss auf den Übergang von der Mikroauf die Makrovibration Einfluss zu nehmen, besteht auch die Möglichkeit, die Mechanik des Antriebs entsprechend zu gestalten.
So haben insbesondere die Masse, Kraft des Aktors und die Steifigkeit der Antriebseinheit, sowie der Anpressdruck zwischen dem Reibkörper und der anzutreibenden Fläche maßgeblichen Einfluss auf die Mikrovibration und damit auf den Zeitpunkt, zu dem die Mikrovibration auf übergeht in die Makrovibration. So kann es bei der Berücksichtigung des erfinderischen Gedanken durchaus von Vorteil sein, wenn die Parameter so gewählt werden, dass eine ausreichend große, bzw. ausgeprägte Mikrovibration auftritt, um diese Mikrovibration erfindungsgemäß zu nutzen, also um über den Zeitpunkt des Übergangs von der Mikro- auf die Makrovibration den Backlash des Antriebs zu steuern, oder gegebenenfalls sogar zu regeln. Das wiederspricht den bisher bekannten Auslegungsregeln für Trägheitsantriebe, bei denen versucht wird die Antriebseinheit so steif und leicht wie möglich zu gestalten, um damit möglichst geringe Vibrationen zu erzielen.
Es ist denkbar, auch die mechanischen Parameter zu regeln, z.B. indem der Anpressdruck zwischen dem Reibkörper und der anzutreibenden Fläche des Läufers variiert wird, womöglich sogar in Kombination mit veränderlichen Kurvenformen. Vorzugsweise werden die mechanischen Parameter jedoch lediglich einmal eingestellt und eine (Fein-)-Regelung des Backlash erfolgt ausschließlich oder zumindest vornehmlich über die Kurvenform des angelegten Signals.
Der erfinderische Gedanke lässt sich für Trägheitsantriebe mit einer einzelnen Antriebseinheit ebenso einsetzen wie für Trägheitsantriebe mit mehreren Antriebseinheiten, also für sogenannte Mehraktorantriebe. Im Falle von Mehraktorantrieben, lässt sich der erfinderische Gedanke sowohl für den Fall einsetzen, dass alle Aktoren synchron mit denselben Signalen angesteuert werden, als auch für den Fall, dass die Signale zeitversetzt, oder gar komplett unterschiedlich ausfallen.
Ein Trägheitsantrieb wird zumeist nicht-resonant betrieben. Es sind aber durchaus auch resonante Trägheitsantriebe bekannt, wie z.B. in der Veröffentlichung „Resonant-Type SIDM Actuator" von T. Nishimura und T. Morita (ACTUATOR 2012, 12th International Conference on New Actuators, Bremen, Germany, June 2010) beschrieben. Auch solche resonanten Trägheitsantriebe lassen sich entsprechend dem erfinderischen Gedanken ansteuern, bzw. regeln.
Es sei nochmal betont, dass der erfinderische Gedanke nicht nur auf die klassischen Sägezähne zur Ansteuerung von Trägheitsantrieben, sondern auch auf alle anderen zur Ansteuerung von Trägheitsantrieben geeigneten Kurvenformen, wie z.B. parabolische Kurvenformen und sogar rechteckartige Kurvenformen angewendet werden kann.
10 zeigt ein schematisches Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Das Verfahren umfasst einen Einstellschritt 101, in dem an einer Trägheitsantriebsvorrichtung zur linearen und/oder rotatorischen Positionierung eines Objekts mit einer Antriebseinheit mit einem Aktor und einer Reibfläche, wobei die Reibfläche bei der Positionierung in Reibkontakt mit einer Objektfläche des Objekts ist, selbst und/oder an den von dieser Trägheitsantriebsvorrichtung genutzen Ansteuersignalen eine Einstellung für einen gezielten Übergang von einer Mikrovibration zu einer Makrovibration bei einer vordefinierten Phase und/oder Amplitude der Mikrovibration vorgenommen wird.
In Schritt 102 erfolgt das Ansteuern, wobei diese Ansteuerung derart erfolgt, dass die Reibfläche und die Objektfläche zeitweise von einer Haftreibung in eine Gleitreibung übergehen (Schritt 103).
Mit dem Übergang in die Gleitreibung ergibt sich zunächst die Mikrovibration (Schritt 104) mit einem Schwingen der Antriebseinheit mit einer Eigenfrequenz der Antriebseinheit und eine darauf bei der Haftreibung folgende Makrovibration (Schritt 105) mit einem Schwingen der Antriebseinheit gemeinsam mit zumindest dem Objekt mit einer Eigenfrequenz einer Kombination von zumindest der Antriebseinheit und dem Objekt.
Die Positionierung kann dann mit einer weiteren Ansteuerung fortgesetzt werden (Rückkehr zu Schritt 102).
Es ist auch vorgesehen, dass eine Messung der Positionsänderung des Objekts erfolgt (Schritt 106), wobei die entsprechenden Messergebnisse ggf. für eine Justierung der Einstellung in Schritt 101 genutzt werden.
11 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Trägheitsantriebsvorrichtung 110.
Die Trägheitsantriebsvorrichtung 110 ist zur linearen und/oder rotatorischen Positionierung eines Objekts 111 vorgesehen und umfasst eine Antriebseinheit mit einem Aktor 112 und einem Reibkörper 114, der seinerseits eine Reibfläche 118 aufweist, eine Steuereinheit 115 zur Ansteuerung der Antriebseinheit, eine Einstelleinheit 117 und eine Messeinheit 116.
Die Reibfläche 118 des Reibkörpers 114 befindet sich im Betriebszustand in Reibkontakt mit einer Objektfläche 119 des Objekts 111, das auch als Läufer bezeichnet werden kann.
Die Steuereinheit 115 ist für ein Ansteuern der Antriebseinheit (speziell des Aktors 112) derart ausgestaltet ist, dass die Reibfläche 118 und eine Objektfläche 119 des Objekts 111 zeitweise von einer Haftreibung in eine Gleitreibung übergehen.
Durch das Ansteuern treten eine Mikrovibration mit einem Schwingen der Antriebseinheit mit einer Eigenfrequenz der Antriebseinheit und eine darauf bei der Haftreibung folgende Makrovibration mit einem Schwingen der Antriebseinheit gemeinsam mit zumindest dem Objekt 111 mit einer Eigenfrequenz einer Kombination von zumindest der Antriebseinheit und dem Objekt 111 auf.
Die Einstelleinheit 117 ist dazu ausgestaltet ist, die Trägheitsantriebsvorrichtung 110, etwa durch Justieren einer Anpresskraft der Reibfläche 118 auf die Objektfläche 119, derart einzustellen und/oder die Steuereinheit 115 zu einem derartigen Ansteuern zu veranlassen, dass ein Übergang von der Mikrovibration zu der Makrovibration bei einer einem der Einstelleinheit 117 vorgegebenen Übergangswert entsprechenden Phase und/oder Amplitude der Mikrovibration auftritt.
Die Messeinheit 116 dient dazu, eine tatsächliche Positionsreaktion des Objekts 111 zu messen, um so eine Regelung der Einstellung zu ermöglichen.
In einer Implementierung der Erfindung ist ein Verfahren zur Ansteuerung eines Trägheitsantriebs auf der Basis von Ansteuerimpulsfolgen mit Abschnitten unterschiedlicher Steigungen sowie mit variabler Amplitude und/oder variabler Frequenz vorgesehen, wobei der Betrag und die Richtung des Backlash über den Zeitpunkt gesteuert bzw. vorzugsweise geregelt wird, zu dem die Makrovibration nach dem Anstoßen der steilen Steigung einsetzt, was durch die Form der Ansteuerimpulsfolgen eingestellt werden kann.
Es ist ebenso ein Verfahren zur Ansteuerung eines Trägheitsantriebs auf der Basis von Ansteuerimpulsfolgen die eine Rechtecksignalform aufweisen, mindestens aber einer Rechtecksignalform ähneln, mit variabler Amplitude und/oder variabler Frequenz, wobei der Betrag und die Richtung des Backlash über den Zeitpunkt gesteuert bzw. vorzugsweise geregelt wird, zu dem die Makrovibration nach dem Anstoßen der steilen Steigung einsetzt, was durch die Form der Ansteuerimpulsfolgen eingestellt werden kann.
Vorzugweise weist hierbei die Ansteuerimpulsfolge in jeder Periode einen individuellen Verlauf aufweisen (wobei durchaus Wiederholungen von Verläufen möglich sind).
Es kann insbesondere vorgesehen sein, dass die Verschiebung des Läufers mit eine Sensor gemessen wird, so dass auch Informationen über die Entwicklung, den Betrag und die Richtung des Backlash gewonnen wird, so dass der Verlauf der Ansteuerimpulsfolge so verändert werden kann, dass sich ein erwünschter Backlash einstellen lässt.
Vorteilhafterweise wird in einer Ausgestaltung die Form der Impulsfolge geregelt, so dass dynamisch veränderliche Einflüsse, wie veränderliche Umwelteinflüsse und veränderliche antriebsinterne Einflüssen über die Einstellung des Backlash kompensiert werden können.
Bei einem Richtungswechsel des Antriebs können alternative Ansteuerkurvenformen gewählt werden.
Es kann vorgesehen werden, je Antrieb mehr als ein Aktor eingesetzt wird, wobei die Aktoren wahlweise identisch oder zeitversetzt angesteuert werden können.
Eine Implementierung der Erfindung sieht eine Trägheitsantriebsvorrichtung zur linearen oder rotarischen Positionierung eines Läufers, wobei die Antriebseinheit der Trägheitsantriebsvorrichtung über die geeignete Wahl der Masse der beweglichen Komponenten der Antriebseinheit, der Kraft des Aktors, der Steifigkeit der Antriebseinheit, und/oder der Anpresskraft zwischen den Reibflächen so ausgestaltet ist, dass über die Form der Ansteuerimpulsfolge der zeitliche Übergang von der Mikrovibration in die Makrovibration nach dem An-stoßen der steilen Steigung der Ansteuerimpulsfolge eingestellt werden kann, so dass damit der Betrag und die Amplitude des Backlash eingestellt werden kann.
Auch wenn in den Figuren verschiedene Aspekte oder Merkmale der Erfindung jeweils in Kombination gezeigt sind, ist für den Fachmann – soweit nicht anders angegeben – ersichtlich, dass die dargestellten und diskutieren Kombinationen nicht die einzig möglichen sind. Insbesondere können einander entsprechende Einheiten oder Merkmalskomplexe aus unterschiedlichen Ausführungsbeispielen miteinander ausgetauscht werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Nicht-Patentliteratur

„Performance improvements for stick-slip positioners” von „A. Bergander und J. M. Breguet (Int. Symp. on Micromechatronics and Human Science, Seiten 59–66, 2003) [0076]
„Resonant-Type SIDM Actuator“ von T. Nishimura und T. Morita (ACTUATOR 2012, 12th International Conference on New Actuators, Bremen, Germany, June 2010) [0118]

Claims

Verfahren zur linearen und/oder rotatorischen Positionierung eines Objekts, wobei zur Positionierung eine Trägheitsantriebsvorrichtung mit einer Antriebseinheit mit einem Aktor und einer Reibfläche verwendet wird, wobei die Reibfläche bei der Positionierung in Reibkontakt mit einer Objektfläche des Objekts ist, mit einem Ansteuern (102) der Antriebseinheit derart, dass die Reibfläche und die Objektfläche zeitweise von einer Haftreibung in eine Gleitreibung übergehen (103), wobei durch das Ansteuern (102) eine Mikrovibration (104) mit einem Schwingen der Antriebseinheit mit einer Eigenfrequenz der Antriebseinheit und eine darauf bei der Haftreibung folgende Makrovibration (105) mit einem Schwingen der Antriebseinheit gemeinsam mit zumindest dem Objekt mit einer Eigenfrequenz einer Kombination von zumindest der Antriebseinheit und dem Objekt auftreten, wobei das Verfahren ein Einstellen (101) der Trägheitsantriebsvorrichtung und/oder das Ansteuern (102) der Antriebseinheit derart aufweist, dass ein Übergang von der Mikrovibration (104) zu der Makrovibration (105) bei einer vordefinierten Phase und/oder Amplitude der Mikrovibration (104) auftritt.
Verfahren nach Anspruch 1, mit einem Bestimmen des Übergangs von der Mikrovibration (104) zu der Makrovibration (104), wobei das Verfahren ein Regeln (101) des Einstellens (101) der Trägheitsantriebsvorrichtung und/oder des Ansteuerns (102) der Antriebseinheit auf Basis des bestimmten Übergangs umfasst.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Bestimmen des Übergangs indirekt durch Messen (106) einer durch ein an die Antriebseinheit gegebenes Ansteuersignal bewirkten Positionsänderung des Objekts erfolgt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Ansteuern (101) mit einem Ansteuersignal mit einen ersten und einen zweiten Ansteuerabschnitt erfolgt, wobei der Übergang in die Gleitreibung (103) mit dem zweiten Ansteuerabschnitt bewirkt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei zur Einstellung des Auftretens des Übergangs von der Mikrovibration (104) zu der Makrovibration (105) bei der vordefinierten Phase und/oder Amplitude der erste und/oder der zweite Ansteuerabschnitt des Ansteuersignals wenigstens eine Unstetigkeit in einer zeitlichen Ableitung aufweist.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, wobei der erste Ansteuerabschnitt eine Bewegung des Objekts in Haftreibung mit der Reibfläche bewirkt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Ansteuern (102) mit einem Ansteuersignal mit einem ersten, zweiten, dritten und vierten Ansteuerabschnitt erfolgt, wobei die Gleitreibung (103) jeweils mit dem zweiten und dem vierten Ansteuerabschnitt bewirkt wird, wobei eine makroskopische Bewegungsrichtung der Antriebseinheit im zweiten Ansteuerabschnitt entgegengesetzt zu einer makroskopischen Bewegungsrichtung der Antriebseinheit im vierten Ansteuerabschnitt ist.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei zur Einstellung des Auftretens des Übergangs von der Mikrovibration (104) zu der Makrovibration (105) bei der vordefinierten Phase und/oder Amplitude der zweite und/oder der vierte Ansteuerabschnitt des Ansteuersignals wenigstens eine Unstetigkeit in einer zeitlichen Ableitung aufweist.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, wobei der erste und/oder der dritte Ansteuerabschnitt keine makroskopische Bewegung der Antriebseinheit bewirken.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Ansteuern (102) mit einer Folge von Ansteuersignalen mit jeweils zwei oder mehr Ansteuerabschnitten erfolgt, wobei sich wenigstens zwei der Ansteuersignale unterscheiden.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Einstellen (101) der Trägheitsantriebsvorrichtung ein Einstellen einer für die Eigenfrequenz der Antriebseinheit relevanten Masse, ein Einstellen einer Kraft des Aktors, ein Einstellen einer Steifigkeit der Antriebseinheit und/oder ein Einstellen einer Anpresskraft zwischen Reibfläche und Objektfläche umfasst.
Trägheitsantriebsvorrichtung (110) zur linearen und/oder rotatorischen Positionierung eines Objekts (111), mit: einer Antriebseinheit (112, 114) mit einem Aktor (112) und einer Reibfläche (118) und einer Steuereinheit (115) zur Ansteuerung der Antriebseinheit, wobei die Steuereinheit (115) für ein Ansteuern der Antriebseinheit derart ausgestaltet ist, dass die Reibfläche (118) und eine Objektfläche (119) des Objekts (111) zeitweise von einer Haftreibung in eine Gleitreibung übergehen, wenn die Reibfläche (118) und die Objektfläche (119) in Reibkontakt sind, wobei durch das Ansteuern eine Mikrovibration mit einem Schwingen der Antriebseinheit mit einer Eigenfrequenz der Antriebseinheit und eine darauf bei der Haftreibung folgende Makrovibration mit einem Schwingen der Antriebseinheit gemeinsam mit zumindest dem Objekt (111) mit einer Eigenfrequenz einer Kombination von zumindest der Antriebseinheit und dem Objekt (111) auftreten, wobei die Trägheitsantriebsvorrichtung (110) eine Einstelleinheit (117) aufweist, die dazu ausgestaltet ist, die Trägheitsantriebsvorrichtung (110) derart einzustellen und/oder die Steuereinheit (115) zu einem derartigen Ansteuern zu veranlassen, dass ein Übergang von der Mikrovibration zu der Makrovibration bei einer einem der Einstelleinheit (117) vorgegebenen Übergangswert entsprechenden Phase und/oder Amplitude der Mikrovibration auftritt.
Trägheitsantriebsvorrichtung (110) nach Anspruch 12, wobei die Antriebseinheit mehrere Kombinationen von Aktor und Reibfläche aufweist und die Steuereinheit (115) für eine identische und/oder zeitversetzte Ansteuerung der mehreren Aktoren (112) ausgestaltet ist.
Computerprogramm mit Programmmitteln, die eine Trägheitsantriebsvorrichtung (110) zur linearen und/oder rotatorischen Positionierung eines Objekts (111), mit einer Antriebseinheit mit einem Aktor (112) und einer Reibfläche (118) und einer Steuereinheit (115) zur Ansteuerung der Antriebseinheit, wobei die Steuereinheit (115) für ein Ansteuern der Antriebseinheit derart ausgestaltet ist, dass die Reibfläche und eine mit der Reibfläche (118) in Reibkontakt stehende Objektfläche (119) des Objekts (111) zeitweise von einer Haftreibung in eine Gleitreibung übergehen, wobei durch das Ansteuern eine Mikrovibration mit einem Schwingen der Antriebseinheit mit einer Eigenfrequenz der Antriebseinheit und eine darauf der bei Haftreibung folgende Makrovibration mit einem Schwingen der Antriebseinheit gemeinsam mit zumindest dem Objekt (111) mit einer Eigenfrequenz einer Kombination von zumindest der Antriebseinheit und dem Objekt (111) auftreten, dazu veranlassen, die Schritte des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 11 auszuführen, wenn das Computerprogramm auf der Trägheitsantriebsvorrichtung (110) ausgeführt wird.