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Die Erfindung betrifft ein Mikropositioniersystem.
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Mikropositioniersysteme sind Systeme zum Bewegen bzw. Verformen von Objekten durch mechanische Ausschläge im mikroskopischen Bereich, also im Bereich von höchstens wenigen Millimetern. Solche Mikropositioniersysteme können als Komponenten optischer Vorrichtungen, beispielsweise in Optikverstellungen, verwendet werden, um die Brennweite eines optischen Elementes, z.B. einer Linse dynamisch einzustellen oder zu verstehen.
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Aus der
US 2005/0 275 232 A1 ist ein Mikromanipulator mit einer aus zwei Greiffingern bestehenden Greifzange zum Greifen einer Materialprobe und mit einem an einem linear verschiebbaren Betätigungsstab befestigten Auswurfelement bekannt. Das Auswurfelement dient dazu, in Verbindung mit einer in die Greiffinger eingeleiteten Vibration, die nach dem Greifvorgang an den Greiffingern haftende Materialprobe von den Greiffingern abzulösen.
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Aus der
US 2012/0082441 A1 ist ein Mikropositioniersystem in einer Luftbilddigitalkamera zur Vorwärtsbewegungskompensierung bekannt. Die Kamera weist ein Gehäuse, einen Rahmen und einen Bildsensor auf, der an dem Rahmen angebracht ist. Drei Festkörpergelenke verbinden den Rahmen mit dem Gehäuse, wodurch eine Verlagerung des Rahmens relativ zum Gehäuse möglich ist. Die Verlagerung des Rahmens erfolgt in einer Richtung parallel zu der zu belichtenden Fläche des Bildsensors. Eine Rückstellfeder und ein Stellglied greifen an gegenüberliegenden Seiten des Rahmens an. Die Rückstellfeder übt eine Vorspannkraft zwischen dem Gehäuse und dem Rahmen aus, die in Verlagerungsrichtung orientiert ist und gegen die das Stellglied den Rahmen relativ zu dem Gehäuse verlagert.
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Das Stellglied greift mit einem Exzenter von einem mit dem Rahmen verbundenen Stift an, um eine Hubbewegung auf den Stift und damit auf den Rahmen in der Verlagerungsrichtung zu übertragen. Die Bewegung weist eine maximale Amplitude von 0,2 mm auf.
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Eine spezielle Form von Mikropositioniersystemen sind Nanopositioniersysteme, die eine Positionierung mit einer noch höheren Auflösung im Bereich weniger Nanometer und Amplituden der Verstellbewegung im Mikrometerbereich ermöglichen. Ein derartiges Nanopositioniersystem wird von der Anmelderin unter der Bezeichnung KeevoDrive® (https://micromotiondrives.com/de/produkte/detail/keevodrive/22/keevodrive-highacc-20mm-typ-1.html) vertrieben. Dieses Positioniersystem kombiniert ein Exzenterantriebssystem mit einer Festkörpergelenkkinematik, wodurch Bewegungen im einstelligen Nanometerbereich realisiert werden. Die Festkörpergelenkkinematik besteht zum einen aus einem Hebelsystem zur Untersetzung der Antriebsbewegung, zum anderen aus Linearführungen für die Anbindung der Anwendung. Diese wiederum wird an ein Objekt angeflanscht. Das System kann im offenen Regelkreis betrieben werden, indem es durch einen Schrittmotor mit 20 Schritten pro Umdrehung angetrieben wird.
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Da die Festkörperkinematik prinzipbedingt als Baueinheit zusammen mit dem Motorgehäuse ausgebildet ist, ist der seitliche Abstand der Angriffspunkte am Objekt durch die äußeren Abmessungen der herkömmlichen Aktuatoren begrenzt, was einer weiteren Miniaturisierung entgegensteht.
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Im Bereich der Optik, beispielsweise bei der Positionierung oder Verformung von Linsen oder Spiegeln zur Brennweiteeinstellung, aber auch zur Positionierung anderer kleiner Gegenstände oder bei Anwendung im Bereich der Montage oder dem Handling von kleinen Bauteilen kann es vorteilhaft sein, ein Objekt an mehr als einem, in geringem Abstand zueinander befindlichen Angriffspunkt mit einer Bewegung zu beaufschlagen.
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Die aus dem Stand der Technik bisher bekannten Systeme sind dafür jedoch aufgrund ihrer Baugröße ungeeignet.
Davon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Mikropositioniersystem zu schaffen, dass zum Positionieren und/oder Verformen kleiner Objekte durch Beaufschlagung des Objektes mit Bewegungen an wenigstens zwei in geringem Abstand zueinander befindlichen Angriffspunkten geeignet ist.
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Die Aufgabe wird gelöst durch ein Mikropositioniersystem nach Anspruch 1.
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Das Mikropositioniersystem zum Positionieren und/oder Verformen eines Objektes weist wenigstens zwei Aktuatoren auf, die zum Einleiten von Bewegungen an unterschiedlichen, über den Umfang des Objekts verteilten Angriffspunkten des Objektes angreifen. Jeder Aktuator weist einen Motor sowie einen von dem Motor betätigbaren und um einen Drehpunkt schwenkbaren Hebel auf. Der Hebel weist einen dem Motor zugeordneten Kraftarm und einen mit seinem freien Ende an dem Objekt angreifenden Lastarm auf, wobei der Hebel während der Betätigung am Angriffspunkt eine Hubbewegung durchläuft.
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In der einfachsten Form der Erfindung greifen wenigstens zwei Aktuatoren mit zugehörigem Antrieb und Hebel an einem Objekt an. Ein Grundgedanke der Erfindung liegt ferner darin, den Bereich der Bewegungserzeugung räumlich von dem Bereich zu trennen, in welchem sich das zu bewegende bzw. zu verformende Objekt befindet. Dies wird durch den mit seinem freien Ende an dem Objekt angreifenden Hebel erreicht, was sozusagen einem „seriellen Aufbau“ der kraft- bzw. bewegungserzeugenden Komponenten sowie der die Bewegung übertragenden Komponenten darstellt. Unter einem seriellen Aufbau wird im Rahmen der Erfindung eine Anordnung von Motor und Übertragungsmitteln hintereinander verstanden. Motor und Übertragungsmittel, insbesondere der Hebel, liegen also nicht nebeneinander, so dass die groß bauenden Motoren bei hoher Packungsdichte nicht mit ihren Gehäusen kollidieren. In diesem Sinne ist der Hebel also „frei“ von dem Motor bzw. dem Motorgehäuse.
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Die Erfindung zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass der das Objekt umgebende Bauraum, insbesondere der am Objekt angreifende Arm des Aktuators äußerst klein, schmal und/oder flach gehalten werden kann, wohingegen ausreichend Bauraum für die Unterbringung eines leistungsstarken und dynamischen Antriebsmotors mit entsprechender Leistungsdichte gewährleistet ist. Durch das Angreifen von wenigstens zwei Aktuatoren an dem Objekt kann das Objekt in unterschiedliche Positionen oder unterschiedliche Deformationszustände überführt werden. Der Hebel überbrückt dabei den Abstand zwischen dem Motor, also dem Ort der Erzeugung der mechanischen Bewegung, und dem Objekt, auf das eine Bewegung übertragen werden soll.
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Der Motor zum Erzeugen der mechanischen Bewegung ist vorzugsweise als Elektromotor ausgebildet. Die mechanische Bewegung kann vorzugsweise als Hubbewegung in den mit dem Motor in mechanischer Wirkverbindung stehenden Kraftarm des Hebels eingeleitet und mittels des Lastarms unmittelbar an dem jeweiligen Angriffspunkt auf das Objekt übertragen werden. Die ursprünglich durch den Motor erzeugte mechanische Bewegung muss jedoch keine Hubbewegung sein, sondern kann auch erst durch zusätzliche mechanische Mittel im Antriebsstrang in eine Hubbewegung umgewandelt werden, bevor eine Einleitung in den Hebel erfolgt. Der Hebel vollzieht eine Schwenkbewegung um seinen Drehpunkt, welche auf den Angriffspunkt am Objekt übertragen wird. Dabei überstreicht der Hebel vorzugsweise kleine Winkel, so dass die auf das Objekt übertragene Bewegung nicht als bogenförmige Bewegung, sondern im Sinne einer Kleinwinkelnäherung als Quasi-Hubbewegung vorliegt.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist wenigstens einer der Aktuatoren des Mikropositioniersystems ein Getriebe auf, das die durch den Motor erzeugte mechanische Bewegung in eine Hubbewegung umwandelt. Dabei erfolgt die Einleitung der Hubbewegung in den Hebel in einer Hubebene. Auf der einen Seite der Hubebene liegt der Angriffspunkt des Hebels an dem Objekt. Auf der gegenüberliegender Seite der Hubebene ist wiederum der Motor angeordnet. Motor und Angriffspunkt des Hebels am Objekt liegen sich gemäß dieser Variante bezüglich der Hubebene gegenüber.
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Diese Weiterbildung der Erfindung zeichnet sich insbesondere durch eine gute räumliche Trennung von Bewegungserzeugung und dem zu bewegenden Objekt aus. Hierdurch können hochdynamische Drehantriebe, wie bspw. bürstenlose Gleichstrommotoren (BLDC-Motoren), als Antriebsmotoren verwendet werden, so dass eine Positionierung und/oder Verformung des Objektes nicht nur mit hoher Genauigkeit, sondern auch mit hoher Dynamik erfolgen kann. Eine Alternative zu BLDC-Motoren sind beispielsweise Schrittmotoren.
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Von Vorteil kann es auch sein, wenn an dem Hebel eine eigene Wegmessvorrichtung vorgesehen ist, die die in den Hebel eingeleitete Bewegung erfasst. Dies kann eine besonders präzise Regelung der Position des Angriffspunktes durch direkte Bestimmung der Hebelposition ermöglichen. Wenn die mechanischen und geometrischen Eigenschaften des Hebels bekannt sind, kann die Position des Angriffspunktes am Objekt mit geringem Berechnungsaufwand ermittelt werden.
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Gemäß einer besonders bevorzugten Variante der Erfindung kann das Mikropositioniersystem in der Weise ausgestaltet sein, dass das Getriebe eine Exzentervorrichtung zur Erzeugung der Hubbewegung aufweist. Auf diese Weise lässt sich besonders bei der Verwendung eines hochdynamischen Antriebsmotors die Hubbewegung mit äußerst geringem mechanischem Spiel erzeugen.
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Dabei kann es von besonderem Vorteil sein, dass der Exzentervorrichtung eine Wegmessvorrichtung, vorzugsweise ein Drehsensor, zugeordnet wird, um die Position eines Exzenters der Exzentervorrichtung zu erfassen. Hierdurch können in vorteilhafterweise Weise ggf. zu hohe mechanische Ausschläge des Exzenters vermieden werden, welche den Hebel beschädigen könnten. Die Wegmessvorrichtung kann vorzugsweise ein Absolutwertgeber sein. Insbesondere wird dies bei der Initialisierung eines Aktuator genutzt, um eine Referenzposition für die weitere Ansteuerung zu bestimmen, was bei der Positionsbestimmung mittels einer absolut arbeitenden Wegmessvorrichtung ohne aufwändiges Anfahren der Endpositionen zum „Einlernen“ der Wegmessvorrichtung erfolgen kann.
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Alternativ bzw. zusätzlich hierzu ist es auch vorstellbar, dass die Wegmessvorrichtung an der Exzentervorrichtung gleichzeitig auch zur Ermittlung der Position des Angriffspunktes am Objekt verwendet wird, so dass eine separate Wegmessvorrichtung am Hebel nicht erforderlich ist oder deren Messwert auf Plausibilität überprüft werden kann.
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Es kann zudem vorgesehen sein, dass der Motor wenigstens eines Aktuators einen Motorencoder aufweist, mittels welchem die Drehposition einer Motorwelle des Motors bestimmbar ist. Die Ansteuerung oder ggf. die Regelung des Motors kann auf diese Weise dynamischer und genauer erfolgen. Auch kann der Motorencoder in bestimmten Anwendungsfällen zur indirekten Positionsbestimmung des Hebels bzw. dessen Angriffspunktes am Objekt verwendet werden. Anstelle eines Motorencoders kann bei einem Elektromotor auch eine Auswertung der Wicklungsströme zur Positionsbestimmung der Motorwelle und somit ggf. auch zur Positionsbestimmung des gesamten Mikropositioniersystems genutzt werden. Bei der Verwendung eines bürstenlosen Gleichstrommotors kann das Signal eines Motorencoders insbesondere für die Kommentierung des Motors verwendet werden.
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Das erfindungsgemäße Mikropositioniersystem kann bevorzugt eine Regeleinrichtung aufweisen bzw. jeder Aktuator kann eine Regeleinrichtung für seinen Motor aufweisen, die zur Erzeugung eines Motorsteuersignals Messsignale der Wegmessvorrichtung an dem Hebel und/oder der Wegmessvorrichtung an der Exzentervorrichtung und/oder von dem Motorencoder auswertet. Das Motorsignal wird an den Motor angelegt und bestimmt dessen Leistungsaufnahme. Durch die Verwendung einer Regeleinrichtung kann die Positionierung genauer und/oder dynamischer, also schneller erfolgen. Hierbei ist es möglich, eine Regelung bereits unter Berücksichtigung eines einzelnen Messsignals umzusetzen. Werden weitere Messsignale hinzugezogen, kann die Regelung des Aktuator dynamischer oder genauer erfolgen. So kann beispielsweise die Dynamik des Motors deutlich verbessert werden, wenn die Messsignale eines Motorencoders mit in die Berechnung des Motorsteuersignals einbezogen werden. Die Berücksichtigung von Messsignalen der Wegmessvorrichtung an der Exzentervorrichtung und/oder an dem Hebel selbst ermöglicht es, die Genauigkeit der durch den Hebel erzeugten Stellbewegung deutlich zu verbessern.
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In besonderer Weise kann dabei vorgesehen sein dass die Regeleinrichtung den Motor in Kaskadenregelung betreibt. Besonders bevorzugt kann eine Kaskadenregelung mit drei ineinander verschachtelten Regelkreisen vorgesehen werden, bei der das Messsignal des Motorencoders als Führungsgröße eines inneren Regelkreises, das Messsignal der Wegmessvorrichtung an der Exzentervorrichtung als Führungsgröße eines mittleren Regelkreises und das Messsignal der Wegmessvorrichtung an dem Hebel als Führungsgröße eines äußeren Regelkreises dient. Eine solche Ausgestaltung des Mikropositioniersystems hat sich als besonders vorteilhaft herausgestellt, da hiermit eine gleichzeitig genaue aber auch hochdynamische Positionierung bzw. Verformung des Objektes möglich wird. Bei einer Kaskadenregelung werden die Drehzahl bzw. Verstellbewegung des Motors bzw. Linearmotors, die Bewegung der Exzentervorrichtung und die Position des Hebels geregelt. Wird beispielsweise dem Motor durch den Regelkreis der Exzentervorrichtung eine bestimmte Verfahrgeschwindigkeit zur Erreichung einer Sollposition vorgegeben, so regelt der innere Regelkreis diese Verfahrgeschwindigkeit in Form einer entsprechenden Drehzahl ein. Durch geeignete Einstellung der Regelparameter für den Regelkreis des Motors kann zum einen ein möglichst schnelles Erreichen der gewünschten Geschwindigkeit oder ein möglichst genaues Einstellen auf die gewünschte Geschwindigkeit erreicht werden, je nachdem, was für den konkreten Anwendungsfall günstiger ist. Die Regelparameter der Kaskadenregelung können zum Beispiel auch darauf optimiert werden, dass es beim Anfahren einer gewünschten Position des Arbeitspunktes zu keinem Überschwingen kommt, was bei bestimmten Positionieranwendungen zu Beschädigungen führen könnte.
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Gemäß einer Alternative der Erfindung kann das Mikropositioniersystem auch derart ausgestaltet sein, dass wenigstens ein Aktuator einen Linearmotor, insbesondere einen Piezostack, zur unmittelbaren Erzeugung einer in den Hebel einzuleitenden Hubbewegung aufweist. Die Hubbewegung wird hier ebenso wie bei den eingangs beschriebenen Ausgestaltungen der Erfindung in einer Hubebene in den Hebel eingeleitet. Der Linearmotor liegt dabei entweder in der Hubebene oder wenigstens teilweise auf der Seite der Hubebene, die dem Angriffspunkt des Hebels am Objekt abgewandt ist. Bei dieser alternativen Ausgestaltung ist ebenfalls ein ausreichend großer Abstand zwischen dem Angriffspunkt des Hebels an dem Objekt sowie dem Ort der Erzeugung der mechanischen Bewegung gewährleistet. In der Folge kann der das Objekt umgebende Bauraum äußerst klein gehalten werden, so dass die Angriffspunkte am Objekt nahe beieinander platziert werden können. Für den Bewegungserzeuger, hier einen Linearmotor, steht demgegenüber ausreichend Bauraum zur Verfügung, sodass Motoren mit ausreichender Leistung und Dynamik zum Antreiben des Objektes nebeneinander, also mit großer Packungsdichte verwendet werden können.
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Im Rahmen der Erfindung kann das Mikropositioniersystem auch so ausgestaltet sein, dass der jeweilige Hebel, also zumindest ein Hebel eines Aktuators, als zweiseitiger Hebel ausgebildet ist. Ein zweiseitiger Hebel zeichnet sich dadurch aus, dass dessen Drehpunkt zwischen Lastarm und Kraftarm angeordnet ist. Die Gesamtlänge eines zweiseitigen Hebels kann bei gleicher Beabstandung zwischen Angriffspunkt und Motor kürzer ausfallen als bei einem einseitigen Hebel, so dass auch eine unerwünschte oder bei der Positionsberechnung zu berücksichtigende Verformung des Hebels während des Betriebs kleiner ausfällt.
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Ferner kann im Rahmen der Erfindung vorgesehen sein, dass der Lastarm eines Hebels länger ist als der Kraftarm oder dass der Lastarm des Hebels kürzer ist als der Kraftarm ist oder dass Lastarm und Kraftarm des Hebels gleich lang sind.
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Wenn der Lastarm des Hebels länger ist als dessen Kraftarm, dann kann der Hebel als Verstärker für den Ausschlag der mechanischen Bewegung genutzt werden, was bei hochdynamischen Anwendungen von besonderem Vorteil ist.
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Wenn dagegen der Lastarm des Hebels kürzer ist als dessen Kraftarm, dann kann der Hebel als Verstärker für die Betätigungskraft bzw. als Untersetzungselement für die Hubbewegung genutzt werden, was für Anwendungen mit besonders kleinen Ausschlägen oder bei erhöhten Kraftanforderungen von besonderem Vorteil ist.
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Wenn Lastarm und Kraftarm des Hebels gleich lang sind, dann entspricht die in den Lastarm eingeleitete Bewegung derjenigen Bewegung, die der Kraftarm am Angriffspunkt ausführt. Der Hebel kann auf diese Weise als besonders präzises Übertragungselement für die Bewegung verwendet werden.
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Bei dem erfindungsgemäßen Mikropositioniersystem kann zusätzlich vorgesehen sein, dass die Aktuatoren im Wesentlichen in derselben Ebene, vorzugsweise auf einem gemeinsamen Trägerelement angeordnet sind. Ein geeignetes Trägerelement kann beispielsweise eine gemeinsame Grundplatte für die Befestigung der Aktuatoren sein. Die Montage kann hierdurch vereinfacht werden. Ferner können die Hubbewegungen in parallel zueinander verlaufenden Richtungen erfolgen. Das gemeinsame Trägerelement bzw. eine gemeinsame Grundplatte kann somit auch als gemeinsames, geometrisches Referenzelement verwendet werden.
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In besonderer Weise können bei dem erfindungsgemäßen Mikropositioniersystem mehrere Aktuatoren vorgesehen sein, die mit Ihren Hebeln über den Umfang des Objektes verteilt angreifen. Auf diese Weise kann das Objekt in eine Vielzahl unterschiedlicher Positionen bzw. Verformungszustände gebracht werden.
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Es kann zudem von besonderem Vorteil sein, wenn der Hebel wenigstens eines Aktuators an seinen Lastarm bogenförmig ausgebildet ist. Denn hierdurch kann das Mikropositioniersystem besonders platzsparend ausgebildet werden. Die Aktuatoren können dann zumindest teilweise um das Objekt herum bzw. um andere Aktuatoren herum angreifen, wodurch insgesamt weniger Bauraum erforderlich ist. Einerseits können auf diese Weise die Angriffspunkte der Hebel über den Umfang des Objektes verteilt angeordnet werden. Andererseits müssen dann aber die zu den Hebeln gehörenden Aktuatoren des Mikropositioniersystems aufgrund der bogenförmig in Ausbildung der Lastarme nicht mehr zwingend über den gesamten Umfang des Objektes verteilt angeordnet werden, was wiederum eine Ersparnis an Bauraum für die Antriebstechnik ermöglicht.
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Als weitere vorteilhafte Ausgestaltung des Mikropositioniersystems hat sich die Ausbildung des Drehpunktes eines Hebels als Festkörpergelenk oder Federgelenk herausgestellt. Festkörpergelenke und Federgelenke zeichnen sich durch besonders hohe Präzision aus, da hierbei kein mechanisches Spiel zwischen relativ zueinander beweglichen Bauteilen anfallen kann. Federgelenke, beispielsweise eingespannte Blattfedern, lassen sich einfach herstellen und montieren und weisen wegen der Einspannung der Feder, die zum Verdrehen des Gelenkes elastisch verformt wird, kein Spiel auf. Festkörpergelenke sind einstückig, also monolithisch aufgebaut, wobei die Verdrehung durch eine elastische Verformung des Materials in einem als Drehpunkt vorgesehenen Bereich erfolgt.
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Ein im Rahmen der vorliegenden Erfindung verwendetes Festkörpergelenk kann beispielsweise aus hochfesten Materialien, wie beispielsweise hochfesten Stählen bestehen, die dauerschwingfest sein sollten.
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Bevorzugt kann das Festkörpergelenk monolithisch mit dem Hebel ausgeführt sein. Dabei weist es eine verjüngte Stelle auf, die den Drehpunkt bildet, um den das Festkörpergelenk bzw. der Hebel schwenkt.
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Ebenso von Vorteil kann es sein, wenn der Drehpunkt zwischen dem Angriffspunkt und der Hubebene liegt, in der die Hubbewegung in den Kraftarm des Hebels eingeleitet wird. Das Mikropositioniersystem lässt sich auf diese Weise kompakter bauen.
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Für eine sichere und zuverlässige Anbindung des jeweiligen Hebels an das zu positionierende oder zu verformende Objekt kann am Lastarm des Hebels eine Spannvorrichtung zum Verbinden mit dem Objekt vorgesehen sein. Dies gestattet nicht nur eine einfache Montage, sondern ermöglicht auch eine lösbare Verbindung zu dem Objekt, sodass auch eine Demontage einfach möglich ist. Die Spannvorrichtung kann beispielsweise als federbelastete Klemme ausgeführt sein, wobei ein gelenkig am Lastarm befestigter Schwenkarm das Objekt am Angriffspunkt gegen das Ende des Lastarms drückt. Die gelenkige Anordnung des Schwenkarms kann mittels eines Festkörpergelenks an dem Lastarm erfolgen.
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Die vorliegende Erfindung kann aufgrund ihrer vorteilhaften Eigenschaften besonders gut als Stellsystem für optische Systeme und darin einzustellende oder zu verstellende Elemente wie Linsen, Spiegel oder dgl. eingesetzt werden.
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Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere Mikropositioniersysteme, die zur Erzeugung einer gewünschten, hochpräzisen und/oder hochdynamischen Bewegung Leistungen im Bereich bis zu 2 Watt umsetzten, um das zu bewegende bzw. zu verformende Objekt innerhalb von 20 bis 30 Millisekunden über einen Hub von bis zu zwei Millimeter zu bewegen. Die dafür erforderlichen Kräfte zum Aufbringen der entsprechenden Beschleunigungen benötigen einen entsprechend starken Antrieb, der aufgrund einer endlichen Leistungsdichte einen gewissen Bauraum einnimmt. Dieser Bauraum ist deutlich größer als der am Objekt zur Verfügung stehende Raum.
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Generell ist in Bezug auf die Erfindung auch festzustellen, dass es durch die serielle Anordnung eines Festkörpergelenks abseits des Motors möglich wird, die in den Antrieb eingebrachte elektrische Energie an einem von dem Objekt entfernten Ort zu erzeugen und dann mittels des Festkörpergelenks und des zugehörigen Hebels an den Ort, den „Arbeitspunkt“ zu transferieren, ohne dass benachbarte Aktuatoren trotz hoher Packungsdichte miteinander kollidieren.
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Der bei den Aktuatoren verwendete Hebel ist nicht unbedingt als starres mechanisches Element anzusehen, sondern gegebenenfalls als Feder mit bekannten Eigenschaften. Bei bekannter Federkonstante und bekannten Auslenkungen und einer bekannten Geometrie des Hebels kann dann die mögliche Verformung des Hebels in die Positionsregelung für den Arbeitspunkt mit einbezogen werden.
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Das zu bewegende Objekt ist in wenigstens einer Dimension deutlich kleiner als der Aktuator. Beispielsweise kann das zu bewegende oder zu verformende Objekt, in dessen Dicke deutlich kleiner sein als beispielsweise der Durchmesser des Motors. In einem Beispiel beträgt der Durchmesser des Motors etwa 10 mm und der die Dicke des Objektes weniger als 1 mm.
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Darstellung der Erfindung
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Weitere Ziele, Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung. Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger sinnvoller Kombination den Gegenstand der vorliegenden Erfindung, auch unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren Rückbeziehung.
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Dabei zeigen zum Teil schematisch:
- 1 ein Mikropositioniersystem gemäß der Erfindung,
- 2 den Ausschnitt A aus der 1
- 3 ein Funktionsschema eines erfindungsgemäßen Aktuators und
- 4 bis 7 Funktionsschemata eines erfindungsgemäßen Aktuator mit einem Linearmotor.
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Gleiche oder gleichwirkende Bauteile werden in den nachfolgend dargestellten Figuren der Zeichnung anhand mehrerer Ausführungsformen mit Bezugszeichen versehen, um die Lesbarkeit zu verbessern.
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FIGURENBESCHREIBUNG
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Ein erfindungsgemäßes Mikropositioniersystem 1 ist in 1 gezeigt. Es weist insgesamt acht Aktuatoren 4 auf, die mit ihrem jeweiligen Hebel 2 an einem zu verformenden bzw. zu positionierenden Objekt 3 über dessen Umfang verteilt angreifen.
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Zum Teil sind die Hebel 2 der Aktuatoren gebogen ausgeführt, wie beispielsweise der Hebel 2 des Aktuators 4, der in dem Ausschnitt A in 2 im Vordergrund dargestellt ist. Hierdurch kann der Hebel 2 um den benachbarten Hebel 2 sowie zum Teil um das Objekt 3 herumgreifen, um eine Anbindung an den Angriffspunkt 6 des Objektes 3 zu erreichen. Ein Lastarm 8 des Hebels 2 greift dabei an dem Angriffspunkt 6 des Objektes 3 an, um eine in einen Kraftarm 7 des Hebels 2 eingeleitete Hubbewegung 5 auf den Angriffspunkt 6 zu übertragen. Die Auslenkungen aufgrund der Hubbewegung 5, die der Hebel 2 dabei durchläuft, sind so klein, dass die am Angriffspunkt 6 auftretende Stellbewegung praktisch eine Hubbewegung 5 ist.
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Jeder Aktuator 4 weist einen Motor 10 auf, der bei dem hier gewählten Ausführungsbeispiel eine an einer Exzentervorrichtung 34 vorliegende Hubbewegung 5 in den Kraftarm 7 des Hebels 2 einleitet, wie dies in der 3 im weiteren Detail dargestellt ist. Die Hubbewegung 5 wird mittels der Exzentervorrichtung 34 in einer Hubebene 9 in den Kraftarm 7 des Hebels 2 eingeleitet und von dem Hebel 2 auf das Objekt 3 übertragen.
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Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß den 1 bis 3 ist der Motor 10 ein Drehantrieb, dessen mechanische Bewegung 11, hier eine Drehbewegung, mittels eines Getriebes 12 in die Hubbewegung 5 umgesetzt wird. Das Getriebe 12 weist dazu die Exzentervorrichtung 34 mit einer Exzenteranordnung 21 auf. Das Getriebe 12 weist ferner eine Untersetzungsgetriebestufe 20 auf, die die Drehbewegung des Motors 10 zunächst untersetzt.
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Die Untersetzungsgetriebestufe 20 kann zum Beispiel als Planetengetriebe oder als Spannungswellengetriebe mit einem Untersetzungsverhältnis von bspw. 40:1 ausgeführt sein. Am Getriebeausgang, der Getriebeabtriebswelle 22, ist ein Exzenter 23 sowie ein diesen umgebendes Exzenterlager 24 vorgesehen, welches sich mittelbar oder unmittelbar an dem Kraftarm 7 des Hebels 2 abstützt und somit die Hubbewegung 5 in diesen einleitet. Die Abstützung kann unter Federvorspannung erfolgen, so dass sich die Exzenteranordnung 21 und der Kraftarm 7 synchron bewegen.
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Vorliegend ist ein zweites Exzenterlager 24 vorgesehen. Die beiden Exzenterlager 24 sind zur Vermeidung eines mechanischen Spiels gegeneinander verspannt.
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Zudem ist an dem Ende der Getriebeabtriebswelle 22 eine Magnetscheibe 25 angeordnet, die sich zusammen mit der Getriebeabtriebswelle 22 dreht, und deren Drehposition von einem Drehsensor 26 aufgenommen wird. Der Drehsensor 26 bildet einen Teil der Exzentervorrichtung 34, die wiederum einen Teil des Getriebes 12 bildet. Um eine möglichst durchgängige Spielfreiheit bei der Übertragung der mechanischen Bewegung 11 zu erreichen, wird als Untersetzungsgetriebestufe 20 innerhalb des Getriebes 12 bevorzugt ein Spannungswellengetriebe verwendet.
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Der Drehsensor 26 dient vor allem dem mechanischen Schutz des Kraftarms 7 des Hebels 2 und soll diesen vor einer zu großen Auslenkung durch die Exzenteranordnung 21 schützen. Der Drehsensor 26 ist bevorzugt ein Absolutwertgeber, der bei einer Initialisierung des Aktuators 4 die absolute Position der Exzenteranordnung 21 bestimmt. Denn wenn der Kraftarm 7 des Hebels 2 in der Hubebene 9 zu weit um den Drehpunkt 14 des Gelenks 15 ausgelenkt wird, besteht die Gefahr, dass entweder der Hebel 2 an dem Kraft- oder Lastarm 7, 8 oder aber an dem Gelenk 15 bricht oder plastisch verformt wird.
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Zur eigentlichen Positionsbestimmung des Hebels 2 ist zusätzlich eine Wegmessvorrichtung vorgesehen, die, wie im hier gewählten Ausführungsbeispiel, als Linearencoder 17 vorgesehen ausgebildet sein kann, der die Position einer an dem Kraftarm 7 des Hebels 2 angeordneten Maßverkörperung 18 bestimmt. Die Maßverkörperung 18 ist beispielsweise ein magnetisch, optisch oder dgl. kodiertes Bauelement, das mit dem Hebel 2 fest verbunden ist und sich zusammen mit dem Hebel vor einem Messsensor, hier dem Linearencoder 17, in unterschiedliche Positionen bewegt.
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Vorzugsweise ist der Linearencoder 17 als Absolutwertgeber ausgebildet, dem eine mit Absolutwerten kodierte Maßverkörperung 18 gegenübergestellt ist. Ein von dem Linearencoder erzeugtes Messsignal 32 ist das für die Positionierung des Arbeitspunktes 6 an dem Objekt 3 maßgebliche Messsignal.
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Das für die Positionierung des Arbeitspunktes 6 maßgebliche Messsignal, bspw. das Messsignal 32 des Linearencoders 17, bildet die Führungsgröße für eine Positionsregelung, die von einer Regeleinrichtung 29 umgesetzt wird. Die Regeleinrichtung 29 vergleicht dabei den am Linearencoder 17 gemessenen Positionswert mit einem für den aktuellen Anwendungsfall bestehenden Soll-Wert. Abhängig von der Abweichung des gemessenen IstWertes und des Soll-Wertes, erzeugt die Regeleinrichtung 29 ein Motorsteuersignal 33, mit welchem der Motor 10 angesteuert wird.
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Bei dem hier gewählten Ausführungsbeispiel ist für jeden Aktuator 4 eine eigene Regeleinrichtung 29 vorgesehen, die die Messsignale 32 verarbeitet und das Motorsteuersignal 33 erzeugt. Alternativ kann auch eine gemeinsame Regeleinrichtung vorgesehen sein, der sämtliche Aktuatoren 4 des Mikropositioniersystems 1 zugeordnet sind und die für jeden einzelnen Motor 10,13 ein entsprechendes Motorsteuersignal 33 erzeugt.
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Zur Verbesserung der Genauigkeit der Positionsregelegung sowie zur Erhöhung der Dynamik des Antriebs kann die Regeleinrichtung 29 zusätzlich Messsignale 30, 31 eines Motorencoders 19 bzw. des Drehsensors 26 auswerten und bei der Erzeugung des Motorsteuersignals 33 berücksichtigen. In der Regeleinrichtung 29 kann die Verarbeitung der unterschiedlichen Messsignale 30, 31, 32 in einer Kaskadenregelung erfolgen, bei der das Messsignal 32 des Linearencoders 17 den Ist-Wert eines äußeren Regelkreises, das Messsignal 31 des Drehsensors 26 den Ist-Wert eines mittleren Regelkreises und das Messsignal 30 des Motorencoders 19 den Ist-Wert eines inneren Regelkreises bildet.
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In bestimmten Anwendungsfällen können der Motorencoder 19 oder der Linearencoder 17 weggelassen und durch die Verarbeitung der anderen oder des anderen Messsignals 30. 31, 32, ersetzt werden, wenn die jeweilige Anwendung geringere Anforderungen an die Schnelligkeit des Aktuators 4 oder dessen Genauigkeit hat.
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Bei Verwendung aller der drei beschriebenen Wegmessvorrichtungen, dem Linearencoder 17, dem Drehsensor 26 sowie dem Motorencoder 19 sind höchst genaue und gleichzeitig dynamische Anforderungen erfüllbar. So kann die Vorrichtung zur Erzeugung einer Hubbewegung maximaler Amplitude von etwa 2 mm ausgebildet sein, wobei die Bewegung innerhalb von 20-30 Millisekunden gestartet und wieder gestoppt werden kann. Der Motor durchläuft aufgrund des großen Untersetzungsverhältnisses durch Getriebe 12 sowie den Hebel 2 lediglich fünf bis sechs Umdrehungen. Dies allerdings bei einer Motordrehzahl von bis zu 22000 Umdrehungen pro Minute.
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Der in der 3 dargestellte Aktuator 4, der für eine solche Anwendung geeignet ist, weist prinzipiell wiederum einen „seriellen Aufbau“ auf, bei welchem der Angriffspunkt 6 des Hebels 2 abseits des Motors angeordnet ist und im Wesentlichen „in Verlängerung“ bzw. windschief zu einer Motorachse 27 liegt. Ein solcher Aufbau reflektiert den in allen hier dargestellten Ausführungsformen gegebenen Grundgedanken der Erfindung. Durch die „serielle Anordnung“ von Motor 10 und Hebel 2, also dadurch, dass der Hebel 2 frei von dem Motor 10 ist und von diesem „absteht“, können die am Objekt 3 liegenden Angriffspunkte 6 sehr nahe, also mit großer Packungsdichte nebeneinander liegen, ohne dass die Motoren 10 miteinander kollidieren.
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Die Anbindung des Lastarms 8 an das Objekt 3 im Bereich des Angriffspunktes 6 kann, wie in der 3 dargestellt, mittels einer Spannvorrichtung 28 erfolgen.
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Die Spannvorrichtung 28 kann beispielsweise als federbelastete Klemme 36 ausgeführt sein, wobei ein gelenkig am Lastarm 8 befestigter Schwenkarm 37 das Objekt 3 am Angriffspunkt 6 gegen das Ende 38 des Lastarms 8 drückt. Die gelenkige Anordnung des Schwenkarms 37 kann mittels eines Festkörpergelenks 39 an dem Lastarm 8 und unter der Vorspannung einer Feder 40 erfolgen.
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Dabei ist unter dem Begriff „Motor“ nicht das Gehäuses zu verstehen, in welchem der Antriebsmotor 10, das Getriebe 12 etc. untergebracht sind, sondern unter „Motor“ sind diejenigen Komponenten hoher Leistungsdichte zu verstehen. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wäre dies der Motor 10 mit zugehörigem Motorencoder 19. An den Motor 10 angeflanscht sind ein Getriebe 12 sowie die an der Getriebeabtriebswelle 22 vorgesehene Exzenteranordnung 21.
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Der Drehsensor 26 der Exzentervorrichtung 34 dient auch dazu, die Exzenterposition zu überwachen, was zum einen bei der Initialisierung des Gesamtsystems erforderlich ist und zum anderen den Hebel 2 vor einer zu großen Auslenkung und einer damit möglichen Zerstörung schützt.
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Der in den 4-7 gezeigte Linearmotor 13 kann bevorzugt als Piezostack 35 ausgeführt werden.
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Der Linearmotor 13 greift jeweils am Kraftarm 7 des Hebels 2 an und überträgt eine direkt als Hubbewegung 5 erzeugte mechanische Bewegung 11 in der Hubebene 9 auf den Hebel 2. Im Übrigen entsprechen die jeweiligen Ausführungsformen der eingangs beschriebenen Ausführungsform. Auch hier vollzieht der Hebel 2 um den Drehpunkt 14 eine kleine Bewegung mit so geringen Ausschlägen, dass am Angriffspunkt 6 des Objektes 3 auch eine Hubbewegung 5 anliegt. Die Hubbewegung 5 wird im Wesentlichen in einer Betätigungsebene 41 vollzogen.
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Die Hebel 2 in den 4 und 6 sind als zweiseitige Hebel, die Hebel 2 in den 5 und 7 sind jeweils als einseitiger Hebel ausgeführt. In der 5 liegt der Linearmotor 13 in der Hubebene 9. In den 6 und 7 liegt der Linearmotor 13 außerhalb der Hubebene 9 und ist mittels eines Balkens 16 an den Kraftarm des Hebels 2 angebunden. Wie durch die gestrichelten Linien in 6 und 7 angedeutet ist, kann der Linearmotor 13 aber auch auf der gegenüberliegenden Seite der Hubebene angeordnet sein, wodurch ein größerer räumlicher Abstand zu dem Objekt 3 hergestellt werden kann.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Mikropositioniersystem
- 2
- Hebel
- 3
- Objekt
- 4
- Aktuator
- 5
- Hubbewegung
- 6
- Angriffspunkt
- 7
- Kraftarm
- 8
- Lastarm
- 9
- Hubebene
- 10
- Motor
- 11
- mechanische Bewegung
- 12
- Getriebe
- 13
- Linearmotor
- 14
- Drehpunkt
- 15
- Gelenk
- 16
- Balken
- 17
- Linearencoder
- 18
- Maßverkörperung
- 19
- Motorencoder
- 20
- Untersetzungsgetriebestufe
- 21
- Exzenteranordnung
- 22
- Getriebeabtriebswelle
- 23
- Exzenter
- 24
- Exzenterlager
- 25
- Magnetscheibe
- 26
- Drehsensor
- 27
- Motorachse
- 28
- Spannvorrichtung
- 29
- Regeleinrichtung
- 30
- Messsignal
- 31
- Messsignal
- 32
- Messsignal
- 33
- Motorsteuersignal
- 34
- Exzentervorrichtung
- 35
- Piezostack
- 36
- Klemme
- 37
- Schwenkarm
- 38
- Lastarmende
- 39
- Festkörpergelenk
- 40
- Feder
- 41
- Arbeitsebene
