DE1265302B

DE1265302B - Electromagnetic step drive for very small defined step movements

Info

Publication number: DE1265302B
Application number: DEP31238A
Authority: DE
Inventors: Paul Buro; Wolfgang Radtke; Dipl-Ing Albert Stecker
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1963-03-02
Filing date: 1963-03-02
Publication date: 1968-04-04

Description

Elektromagnetischer Schrittantrieb für sehr kleine definierte Schrittbewegungen Die Erfindung betrifft einen elektromagnetischen Schrittantrieb für sehr kleine definierte Schrittbewegungen, bestehend aus einem auf einer Führungsbahn verschiebbar beweglichen schlittenartigen Körper, welcher an der Führungsbahn an zwei Stellen abgestützt und bei welchem der Abstand der Stützen nach Maßgabe elektrischer Impulse mit Hilfe in ihrer Länge veränderlicher Verbindungsglieder veränderbar ist.Electromagnetic step drive for very small, defined step movements The invention relates to an electromagnetic stepper drive for very small ones defined step movements, consisting of one that can be moved on a guideway movable slide-like body, which on the guideway in two places supported and at which the distance between the supports in accordance with electrical impulses can be changed with the aid of connecting links which are variable in length.

Bei einem solchen Schrittantrieb werden die elektromagnetisch bewirkte Verkürzung eines magnetostriktiven Kernes bzw. die Streckung einer gekrümmten Blattfeder ausgenutzt.With such a stepper drive, the electromagnetically induced Shortening a magnetostrictive core or stretching a curved leaf spring exploited.

Die an den Enden des magnetostriktiven Kernes bzw. der Blattfeder befindlichen Stützen gleiten auf einer Führungsbahn und sind voneinander unabhängig auf dieser elektromagnetisch feststellbar. Werden diese Gleitstützen abwechselnd und nacheinander in bezug auf die magnetische Erregung des Längsgliedes auf der Führungsbahn festgestellt und gelöst, so ergibt sich eine Schrittbewegung, die beliebig wiederholbar ist und deren Schrittrichtung von der Reihenfolge der Feststellung beider Stützen auf der Führungsbahn bestimmt wird.The ones at the ends of the magnetostrictive core or the leaf spring located supports slide on a guideway and are independent of each other electromagnetically detectable on this. Are these slide supports alternately and successively with respect to the magnetic excitation of the longitudinal member on the Detected and released guideway, this results in a step movement that is arbitrary is repeatable and its step direction depends on the order of the determination of both supports on the guideway is determined.

Der hohe Wirkungsgrad des angewendeten Prinzips ergibt bei kleiner Masse der Anordnung eine hohe Kraftwirkung und kleine Störanfälligkeit, so daß die Kombination zu genauen Mehrkoordinaten-Schrittwerken bzw. die Herstellung von Mikromanipulatoren möglich ist.The high efficiency of the applied principle results in smaller The mass of the arrangement has a high force effect and small susceptibility to failure, so that the Combination to precise multi-coordinate step mechanisms or the production of micromanipulators is possible.

Zur Erzeugung mechanischer Schritte sind Schrittmotore ähnlich dem Synchronmotor bekannt, deren Winkelschrittbewegungen in Linearschrittbewegungen umwandelbar sind. Von Nachteil sind der relativ große Fehler beim Anfangsschritt sowie ein störendes Überschwingen und Pendeln. Für größere periodische Schrittbewegungen sind Prinzipien bekanntgeworden, bei denen mittels veränderlicher Reibung zwischen antreibendem und angetriebenem Körper eine vibrierende Bewegung in Richtung der überwiegenden Bewegungsreibung erzwungen wird. In der Praxis arbeiten solche Anordnungen wenig zuverlässig, da kaum definierte oder konstante Reibungsverhältnisse zu verwirklichen sind. Besonders groß ist der Fehler beim Start gegenüber kleineren aber ständig schwankenden Fehlern bei längeren Schrittreihen.To generate mechanical steps, stepper motors are similar to the Synchronous motor known, their angular step movements in linear step movements are convertible. The disadvantage is the relatively large error in the initial step as well as annoying overshoot and oscillation. For larger periodic step movements principles have become known in which by means of variable friction between driving and driven body a vibrating movement in the direction of the predominant dynamic friction is forced. Such arrangements work in practice not very reliable, as hardly any defined or constant friction conditions can be achieved are. The error at the start is particularly large compared to smaller but constant ones fluctuating errors with longer series of steps.

Bekannt ist weiterhin ein elektromagnetisches Schrittwerk, bei dem über den Elektromagnetankerhub ein angepaßtes Klinkenrad um jeweils einen Zahn gedreht wird, so daß z. B. ein Zählwerk oder ein Aufzugswerk direkt angetrieben oder die Drehschrittbewegung in eine Längssehrittbewegung umgewandelt werden kann. Zu den Fehlern durch die Herstellungsverfahren beim Klinkenrad kommen im Betrieb Fehler durch Federungs- und Prelleffekte, die stark von der jeweiligen Impulsfolgefrequenz abhängen.Also known is an electromagnetic step mechanism in which An adapted ratchet wheel rotated by one tooth at a time via the electromagnet armature stroke is so that z. B. a counter or a winding mechanism directly driven or the Rotary step movement can be converted into a longitudinal step movement. To the Errors in the manufacturing process for the ratchet wheel result in errors during operation due to suspension and bouncing effects, which strongly depend on the respective pulse repetition frequency depend.

Bei einem anderen bekannten Arbeitsprinzip entsteht eine Schrittbewegung dadurch, daß ein federnd angeordneter Anker kleiner Masse sich aus seiner Ruhelage schnell gegen den erregten Elektromagneten großer Masse auf einem gemeinsamen Führungskörper bewegt, in dieser Stellung auch nach Abschälten der Erregung verbleibt wegen seiner großen Reibung gegenüber dem Führungskörper, während der entregte schwere Elektromagnet jetzt weniger schnell von der gespannten Feder auf dem gemeinsamen Führungskörper in die neue Ruhelage verschoben wird.Another known working principle creates a step movement in that a resiliently arranged armature of small mass moves out of its rest position quickly against the excited electromagnet of large mass on a common guide body moves, remains in this position even after turning off the excitement because of his large friction against the guide body, while the de-energized heavy electromagnet now less quickly from the tensioned spring on the common guide body is moved to the new rest position.

Maßgebend für die Schrittbewegung in Größe und zeitlichem Ablauf ist hier die Reibungsdifferenz. Diese ist aber mehrfach kritisch, da das Reibungsverhalten von drei verschiedenen Partnern eingeht und der Reibungskoeffizient jeder Paarung keine Konstante ist, sondern stark von der Reibgeschwindigkeit, vom Reibdruck und der Oberflächenbeschaffenheit der Reibflächen abhängt, so daß die Schrittlänge stark schwankt. Hinzu kommen Kriecheffekte, die von der Impulsfolgefrequenz abhängen.Decisive for the step movement in terms of size and timing here the difference in friction. However, this is critical in several ways because of the frictional behavior from three different partners and the coefficient of friction of each pairing is not a constant, but is strongly dependent on the friction speed, the friction pressure and the surface quality of the friction surfaces depends, so that the step length is strong fluctuates. In addition, there are creep effects that depend on the pulse repetition frequency.

Für die Erzeugung sehr kleiner definierter Bewegungen für Vorschübe, wie sie für die Herstellung von dünnen Objektscheiben von nur einigen Mikrometern Dicke verlangt werden (Mikrotomtechnik), sowie zum Gravieren von optischen Gittern (Rowlandgittern) hat sich die definierte Wärmeausdehnung eines elektrisch aufgeheizten Metallstabes zur Steuerung des zu bewegenden Stabendes mit Messer oder mit Diamantgriffel als sehr brauchbar erwiesen. Für schnelle und periodisch wiederkehrende Bewegungen oder Vorschübe eignet sich dieses Prinzip nicht wegen der zu großen Trägheit.For the generation of very small defined movements for feed rates, as used for the production of thin specimen slices of only a few micrometers Thickness are required (microtome technique), as well as for engraving optical grids (Rowland grids) has the defined thermal expansion of a electrically heated metal rod to control the rod end to be moved Knife or with a diamond pen proved to be very useful. For quick and periodic This principle is not suitable because of recurring movements or feeds of too great indolence.

Die Erfindung stellt eine Verbesserung und Vereinfachung der bisher bekannten Verfahren dar, indem sie sich besser beherrschbarer physikalischer Effekte bedient und sie sinngemäß derart anwendet, daß beim elektromagnetischen Schrittwerk sich eine genaue und reproduzierbare Schrittlänge ergibt, so daß eine weitere Kontrolle oder anschließende Korrektur der Bewegung nicht mehr erforderlich ist. Sie besteht darin, daß bei einem Schrittantrieb der eingangs genannten Art zwischen zwei Stützteilen des Schlittens ein magnetostriktiver Körper angeordnet ist und daß die Stützteile jedes für sich auf der Führungsbahn feststellbar sind.The invention represents an improvement and simplification of the hitherto known processes by making physical effects more controllable operated and it applies accordingly in such a way that the electromagnetic step mechanism an exact and reproducible step length results, so that a further control or subsequent correction of the movement is no longer required. she consists that in a stepper drive of the type mentioned between two support parts of the slide a magnetostrictive body is arranged and that the support parts each can be determined individually on the guideway.

In der typischen Ausführungsform besteht ein solches elektromagnetisches Schrittwerk aus einer Gleit- und Führungsbahn, auf der ein länglicher Transportkörper mit Gleitstützen an seinen Enden gleitet, wobei der geometrische Abstand dieser Gleitkörper durch die elektromagnetisch beeinflußbare Länge des Transportkörpers exakt und reproduzierbar einstellbar ist.In the typical embodiment there is such an electromagnetic Step mechanism consisting of a slide and guide track on which an elongated transport body with sliding supports at its ends slides, the geometric distance of these Sliding body due to the electromagnetically controllable length of the transport body can be set exactly and reproducibly.

Die beiden Gleitstützen sind voneinander unabhängig auf der Gleitbahn elektromagnetisch feststellbar, so daß durch kurzzeitiges Feststellen der ersten Gleitstütze und anschließendes elektromagnetisches Dehnen des Verbindungsgliedes die noch freie zweite Gleitstütze um diesen Dehnungsbetrag vorgeschoben wird. Dadurch, daß jetzt die erste Gleitstütze gelöst und die zweite Gleitstütze festgestellt und anschließend die Erregung des Verbindungsgliedes abgeschaltet wird, bewegt sich die erste Gleitstütze in Richtung zur zweiten, so daß die gesamte Anordnung jetzt einen vollen Vorwärtsschritt ausgeführt hat.The two slide supports are independent of each other on the slide electromagnetically detectable, so that by briefly detecting the first Sliding support and subsequent electromagnetic stretching of the connecting link the still free second slide support is advanced by this amount of expansion. Through this, that now the first slide support is released and the second slide support established and then the excitation of the link is switched off, moves the first slide support towards the second, so that the entire assembly is now took a full step forward.

Ein Rückwärtsschritt wird auf entsprechende Weise erzielt, indem die Reihenfolge der Erregungsimpulse der Gleitstützen vertauscht wird.A backward step is similarly achieved by using the Sequence of the excitation pulses of the slide supports is reversed.

Zur Längenänderung des Transportkörpers eignet sich der Magnetostriktionseffekt sehr gut, bei dem ein ferromagnetisches Material, wie Eisen, Kobalt oder Nickel oder deren Legierungen im Magnetfeld ihre Dimensionen ändern. Die Änderung der Länge beträgt dabei bis zu so daß Schrittlängen in Größe von einigen Mikrometern gut realisierbar sind. Bei diesem Material sind auch relativ hohe Impulsfolgefrequenzen bis in Größenordnung von 100 000 Hz möglich.The magnetostriction effect is very suitable for changing the length of the transport body, in which a ferromagnetic material such as iron, cobalt or nickel or their alloys change their dimensions in the magnetic field. The change in length is up to so that step lengths of a few micrometers can be easily achieved. With this material, relatively high pulse repetition frequencies of up to 100,000 Hz are possible.

Die notwendige Impulssteuerung eines derartigen elektromagnetischen Schrittwerkes ist ohne großen Aufwand leicht zu verwirklichen, desgleichen die Programmierung. Ein weiterer Vorteil dieses Prinzips liegt darin, daß wegen des hohen Wirkungsgrades des magnetostriktiven Wandlers hohe Schrittkräfte wirksam werden, die entweder eine hohe Störfreiheit ermöglichen oder die Abgabe großer Kräfte nach außen zulassen oder auch den Transport entsprechender Massen. Andererseits kann bei kleinen Kräften der Gesamtaufbau klein gehalten und die Impulsfolgefrequenz erhöht und so die resultierende Transportgeschwindigkeit vergrößert werden. Auf Grund des hohen Wirkungsgrades ist es ferner möglich, mehrere solcher elektromagnetischen Schrittwerke zu einem Koordinatenschrittwerk zu kombinieren oder für einen Mikromanipulator hoher äußerer Kraftwirkung zu verwenden.The necessary impulse control of such an electromagnetic Stepwork is easy to implement without great effort, as is the programming. Another advantage of this principle is that because of the high efficiency the magnetostrictive transducer high step forces are effective, either a enable high freedom from interference or allow large forces to be emitted to the outside or the transport of corresponding masses. On the other hand, with small forces the overall structure kept small and the pulse repetition frequency increased and so the resulting Transport speed can be increased. Due to the high efficiency It is also possible to combine several such electromagnetic step mechanisms to form a coordinate step mechanism to combine or to use for a micromanipulator of high external force.

Eine andere Ausführungsform des erfindungsgemäßen elektromagnetischen Schrittantriebes ist dadurch gekennzeichnet, daß an Stelle der Verwendung eines magnetostriktiven Körpers zum Verbinden der Stützen diese starr miteinander verbunden sind und eine schwach gekrümmte Blattfeder mit ihrem einen Ende am Schlitten und mit dem anderen Ende an einem gleit- und feststellbar angeordneten Abstoßglied befestigt und mit ihrem mittleren, einen Anker tragenden Teil vor einem am Schlitten befestigten Magneten derart angeordnet ist, daß bei Erregung des Magneten eine Streckung der Feder erfolgt.Another embodiment of the electromagnetic according to the invention Stepper drive is characterized in that instead of using a magnetostrictive body for connecting the supports these rigidly connected to each other are and a slightly curved leaf spring with one end on the carriage and attached with the other end to a sliding and lockable arranged repulsion member and with its middle, an anchor-bearing part in front of one attached to the slide Magnet is arranged such that when the magnet is excited, an elongation of the Spring takes place.

Die Erfindung wird an Hand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.The invention is based on the embodiments shown in the drawing explained in more detail.

F i g. 1 zeigt eine Vorrichtung nach der Erfindung mit einem aus magnetostriktivem Material hergestellten Verbindungsglied; F i g. 2 zeigt eine Vorrichtung nach der Erfindung mit einer elektromagnetisch streckbaren Blattfeder. Auf der in F i g. 1 dargestellten Führungsbahn 1 stellt 2 das gesamte Schrittwerk dar, das im wesentlichen aus dem Verbindungsglied mit den an seinen Enden fixierten Gleitstützen 4 und 5 besteht. Diese sind auf der Führungsbahn 1 mit Hilfe der Magnetwicklungen 6 und 7 mechanisch feststellbar. Das in seiner Länge veränderbare Verbindungsglied besteht aus dem magnetostriktiven Kern 8, der von der Magnetwicklung 9 erregt wird.F i g. Fig. 1 shows a device according to the invention with a magnetostrictive one Material manufactured connecting link; F i g. 2 shows a device according to FIG Invention with an electromagnetically stretchable leaf spring. On the in F i g. 1 illustrated guide track 1, 2 represents the entire step mechanism, which is essentially from the connecting link with the slide supports 4 and 5 fixed at its ends consists. These are on the guide track 1 with the help of the magnetic windings 6 and 7 mechanically lockable. The connecting link, which can be changed in length, is made from the magnetostrictive core 8, which is excited by the magnet winding 9.

Die Vorrichtung nach der F i g. 1 arbeitet wie folgt: Die Gleitstütze 5 wird über die Wicklung 7 magnetisch erregt, so daß sie mechanisch auf der Führungsbahn 1 fixiert ist. Anschließend wird die Magnetspule 9 des magnetostriktiven Körpers 8 erregt. Die dadurch bewirkte Kürzung des magnetostriktiven Kernes 8 ruft eine gleich große Verschiebung der beweglichen Gleitstütze 4 auf der Führungsbahn 1 in Richtung zur Gleitstütze 5 hervor. Jetzt wird die Gleitstütze 4 über die Wicklung 6 elektromagnetisch erregt und auf der Führungsbahn 1 fixiert. Hiernach wird die Gleitstütze 5 über die Wicklung 7 entregt und somit die mechanische Feststellung auf der Gleitbahn 1 aufgehoben. Nach Abschaltung der Magnetspule 9 dehnt sich der magnetostriktive Kern 8 wieder auf seine Ursprungslänge aus und schiebt die an seinem Ende befindliche Gleitstütze 5 nach rechts.The device according to FIG. 1 works as follows: The slide support 5 is magnetically excited via the winding 7 so that it is mechanically on the guideway 1 is fixed. Then the solenoid 9 of the magnetostrictive body 8 excited. The resulting shortening of the magnetostrictive core 8 calls a equal displacement of the movable slide support 4 on the guide track 1 in Direction to slide support 5 out. Now the slide support 4 is over the winding 6 electromagnetically excited and fixed on the guideway 1. After that, the Slide support 5 is de-energized via the winding 7 and thus the mechanical locking lifted on slide 1. After switching off the solenoid 9, the expands magnetostrictive core 8 back to its original length and pushes the on his End located slide support 5 to the right.

Wird die Reihenfolge der Fixierung der Gleitstützen 5 und 4 auf der Führungsbahn vertauscht, also zuerst die Gleitstütze 4 erregt, so wird die Schrittrichtung umgekehrt, d. h., das Schrittwerk bewegt sich jetzt nach links.If the sequence of fixing the slide supports 5 and 4 on the Guideway interchanged, so first the slide support 4 is excited, the step direction is vice versa, d. that is, the stepper is now moving to the left.

Auf der in F i g. 2 dargestellten Führungsbahn 1 stellt 2 das gesamte Schrittwerk dar, dessen Längungsglied hier die im Ruhezustand gekrümmte Blattfeder 8 ist, die in der Gleitstütze 5 befestigt ist. Diese Gleitstütze 5 ist auf der Führungsbahn 1 beweglich und über die Magnetwicklung 7 mechanisch feststellbar. Die Blattfeder 8 trägt den Anker 10, der von dem Elektromagneten 3 angezogen wird, wenn dessen Erregerspule 9 gespeist wird. Die gekrümmte Blattfeder 8 ist an ihrem anderen Ende mit dem auf der Führungsbahn 1 beweglichen Abstoßglied 4 fest verbunden, das seinerseits über die Erregerwicklung 6 auf der Führungsbahn 1 feststellbar ist. Die Bewegung des Ankers 10 wird von der Hubbegrenzungsschraube 12 begrenzt.On the in F i g. The guide track 1 shown in FIG. 2, FIG. 2 shows the entire step mechanism, the elongation member of which is the leaf spring 8, which is curved in the rest state and which is fastened in the slide support 5. This slide support 5 is movable on the guide track 1 and can be locked mechanically via the magnet winding 7. The leaf spring 8 carries the armature 10, which is attracted by the electromagnet 3 when its excitation coil 9 is fed. The curved leaf spring 8 is firmly connected at its other end to the repelling member 4 which is movable on the guide track 1 and which, in turn, can be fixed on the guide track 1 via the excitation winding 6. The movement of the armature 10 is limited by the stroke limiting screw 12.

Die Vorrichtung nach der F i g. 2 arbeitet wie folgt: Die Gleitstütze 5 wird über die Wicklung 7 elektromagnetisch erregt, so daß sie mechanisch auf der Führungsbahn 1 festgestellt ist. Anschließend wird die Magnetspule 9 erregt, so daß der Anker 10 vom Kern 3 angezogen wird. Hierbei wird die Blattfeder 8 gestreckt, so daß das bewegliche Abstoßglied 4 in Richtung zur Gleitstütze 14 bewegt wird. Hiernach wird das Abstoßglied 4 über die Erregung der Wicklung 6 auf der Führungsbahn 1 festgestellt und anschließend die Feststellung der Gleitstütze 5 auf der Führungsbahn 1 gelöst, indem die Erregung der Spule 7 abgeschaltet wird. Wird jetzt der Elektromagnet 3 entregt, so kehrt der Anker 10 in seine von der Stellschraube 12 bestimmte Ruhelage zurück und nimmt die hierzu gehörige Krümmung ein, wobei der bewegliche Gleitkörper 5 und damit das gesamte Schrittwerk 2 in Richtung auf das noch festgestellte Abstoßglied 4 bewegt wird.The device according to FIG. 2 works as follows: The slide support 5 is electromagnetically excited via the winding 7 so that it is mechanically fixed on the guide track 1. The magnet coil 9 is then excited so that the armature 10 is attracted to the core 3. Here, the leaf spring 8 is stretched so that the movable repelling member 4 is moved in the direction of the slide support 14. Thereafter, the repelling member 4 is determined by the excitation of the winding 6 on the guide track 1 and then the locking of the slide support 5 on the guide track 1 is released by the excitation of the coil 7 is switched off. If the electromagnet 3 is now de-energized, the armature 10 returns to its rest position determined by the adjusting screw 12 and assumes the curvature associated with it, the movable sliding body 5 and thus the entire step mechanism 2 being moved in the direction of the still-fixed repulsion member 4 .

Wird die Reihenfolge der Feststellung der Stützen 5 und 4 auf der Führungsbahn 1 vertauscht, also erst das Abstoßglied 4 fixiert und nach der Erregung des Magneten 3 die Gleitstütze 5, so bewegt sich das Schrittwerk nach rechts in Richtung der Gleitstütze 5.Will the order of finding the supports 5 and 4 on the Guide track 1 interchanged, so only the repelling member 4 is fixed and after the excitation of the magnet 3, the slide support 5, the stepper moves to the right in Direction of the slide support 5.

Gemäß der Erfindung benötigt weder das Schrittwerk nach F i g. 1 noch nach F i g. 2 eine Führungsbahn, die aus magnetischem Material besteht. Es können vielmehr auch Reibungskräfte ausgenutzt werden.According to the invention, neither the step mechanism according to FIG. 1 still according to FIG. 2 a guideway made of magnetic material. It can rather, frictional forces are also used.

Claims

Claims: 1. Electromagnetic stepper drive for very small ones defined step movements, consisting of one that can be moved on a guideway movable slide-like body, which on the guideway in two places supported and at which the distance between the supports in accordance with electrical impulses can be changed with the help of connecting links which are variable in length, thereby characterized in that a magnetostrictive one between two support parts of the carriage Body is arranged and that the support parts each for itself on the guideway are detectable.

2. Electromagnetic stepper drive according to claim 1, characterized characterized in that instead of using a magnetostrictive body for Connecting the supports these are rigidly connected and one slightly curved Leaf spring with one end on the slide and with the other end on a sliding and fixedly arranged repulsion member and fixed with its middle, one Armature bearing part arranged in front of a magnet attached to the slide in this way is that when the magnet is excited, the spring is stretched.

3. Electromagnetic Step drive according to Claims 1 and 2, characterized in that the guide track consists of soft magnetic material and that the adjacent to it and on it sliding support parts are designed as electromagnets.

4. Electromagnetic Step drive according to Claim 2, characterized in that the initial dimension of the curvature the leaf spring is adjustable by means of an adjusting screw. Considered publications: Patent No. 12 565 of the Office for Invention and Patents in East Berlin.