DE19820273A1

DE19820273A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Positionierung eines Gegenstandes

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Publication number: DE19820273A1
Application number: DE19820273A
Authority: DE
Inventors: Kurt Sinske; Dieter Wienecke
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1998-05-07
Filing date: 1998-05-07
Publication date: 1999-11-18

Abstract

Bei dem Verfahren zur Positionierung eines Gegenstandes wird eine Differenz zwischen einer Ist- und einer Sollposition (18''; 15) ermittelt. Ein einen Gegenstand bewegender Antrieb wird mit einem Energiepuls (20) beaufschlagt. Eine durch den Energiepuls (20) hervorgerufene Verstellung wird ermittelt, wobei die Ermittlung der Verstellung im wesentlichen nach Abschluß der Bewegung erfolgt. In Abhängigkeit von der Ist- zu der Sollposition (18''; 15) ist der Antrieb mehrfach mit dem Energiepuls (20) beaufschlagbar. DOLLAR A Die Vorrichtung zur Positionierung eines Gegenstandes weist einen Antrieb auf, der auf den Gegenstand einwirkt, eine Energiequelle und einen Istwertgeber, der die Istposition (18'') des Gegenstandes ausgibt. Eine Steuerung ist mit dem Istwertgeber und der Energiequelle verbunden. Die Steuerung ermittelt eine Wegdifferenz aus der Ist- und einer Sollposition (18'', 15). Der Antrieb ist pulsartig in Abhängigkeit der Wegdifferenz mittels der Steuerung ansteuerbar.

Description

Die Erfindung beschäftigt sich mit einem Verfahren und einer Vorrichtung zur Positionierung eines Gegenstandes.

Die Notwendigkeit der Positionierung eines Gegenstandes ist in den vielfältigsten Anwendungsfällen erforderlich. Beispielhaft ist die Positionierung bei einem motorisch angetriebenen x- y-Tisch zum Abscannen der Oberflächenbeschaffenheit einer Probe oder bei einem Mikroskoptisch erforderlich.

Für die Positionierung ist der Gegenstand beweglich angeordnet und steht mit einem Antriebselement in Wirkverbindung. Das Antriebselement weist zumeist einen Elektromotor auf, der mit einer Energiequelle in Verbindung steht. Zwischen dem Elektromotor und der Energiequelle können weiterhin Übertragungselemente wie Getriebe, Achsen, Wellen, Kupplungen, Riemen und dergleichen vorgesehen sein.

Für eine Ansteuerung des Antriebselementes und damit für eine Positionierung des Gegenstandes ist es bekannt, einen Regelkreis vorzusehen. In diesem Regelkreis wird in einem Summenpunkt eine Führungsgröße angelegt und einer Regeleinrichtung zugeführt. Nach einem Ist-, Sollvergleich erfolgt über eine Regelstrecke in Relation zu der Führungsgröße eine Verstellung.

Die Ist-, und Sollposition wird kontinuierlich überwacht und bei auftretenden Differenzen eine Verstellung vorgenommen.

Die beispielsweise Spannung eines Elektromotors wird solange erhöht, bis sich der Gegenstand in Bewegung setzt, die Differenz verringert wird und im Idealfall Null erreicht.

Die tatsächlich erreichbare Genauigkeit hängt von den jeweiligen Umständen des Einzelfalles ab und wird wesentlich von dem Aufbau, dem Umkehrspiel, der Reibung etc. bestimmt.

Auch neigen diese bekannten Regelkreise zu Schwingungen, wobei dann der Gegenstand trotz vorhandener Differenz zwischen der Ist-, und der Sollposition entweder keine Bewegung mehr ausführt, oder aber um die Sollposition schwankt. Um diesen Zustand zu vermeiden, muß die Regelkreissicherheit entsprechend hoch gewählt werden. Dies bedeutet auf der anderen Seite, das die erreichbare Genauigkeit abnimmt.

Bei der heute üblichen Mechanik und einer entsprechend angepaßten Regelkreissicherheit ist eine Positioniergenauigkeit im Bereich von 5 µm bis 10 µm erreichbar.

Für höhere Positioniergenauigkeiten muß die Mechanik hochpräzise ausgeführt werden, welches kostenintensiv ist.

Der vorliegenden Erfindung liegt das Problem zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erhöhung der Positioniergenauigkeit ohne Einbuße der Regelkreissicherheit aufzuzeigen.

Das Problem betreffend dem Verfahren wird durch den Anspruch 1 gelöst, das Problem betreffend der Vorrichtung durch den Anspruch 9.

Bei dem Verfahren wird zunächst eine Differenz zwischen einer Ist- und einer Sollposition ermittelt und ein den Gegenstand bewegender Antrieb mit einem Energiepuls beaufschlagt. Unter Energiepuls wird vorliegend ein Energiestoß verstanden, der nach seiner Größe und Dauer begrenzt ist und dessen Flanken über die Zeit im wesentlichen senkrecht verlaufen. Anschließend wird die Verstellung des Gegenstandes ermittelt, die durch den Energiepuls hervorgerufen wurde. Die Ermittlung der Verstellung erfolgt im wesentlichen nach Abschluß der Bewegung. In Abhängigkeit von der Ist- zu der Sollposition wird der Antrieb ggf. mehrfach mit dem Energiepuls beaufschlagt.

Im Gegensatz zu der im Stand der Technik bekannten Regelung in einem Regelkreis wird gemäß der Erfindung keine quasi kontinuierliche Überwachung der Position des Gegenstandes bzw. dessen Positionsdifferenz vorgenommen. Vielmehr wird der Antrieb mit dem Energiepuls beaufschlagt und zunächst die Reaktion des Gegenstandes abgewartet. Daraus ergibt sich auch, daß die im Regelkreis bekannte Neigung zu Schwingungen nicht auftreten kann.

Bei einer bekannten quasi kontinuierlichen Überwachung der Positionsdifferenz in einem Regelkreis wird beispielsweise die Spannung eines als Elektromotor ausgebildeten Antriebes in Abhängigkeit der Positionsdifferenz erhöht. Bei kleinen Positionsdifferenzen wird die Spannung relativ langsam erhöht, bis sich der Gegenstand in die gewünschte Richtung bewegt. Aufgrund von Trägheitskräfte, Reibungskräfte etc. des Antriebes erfolgt die Bewegung des Gegenstandes nicht unmittelbar und in direkter Relation zu der Spannungserhöhung, sondern - zumindest am Anfang der Bewegung - ruckartig. Sind aber nur kleine Positionsdifferenzen zu überwinden besteht die Gefahr, daß der Gegenstand über die Sollposition hinaus bewegt wird und die absolute Positionsdifferenz im wesentlichen unverändert bleibt. Aufgrund der Regelung würde nun eine Spannungsumkehr mit entsprechender umgekehrter Bewegungsrichtung des Gegenstandes erfolgen, wobei dann jedoch wieder die analoge Konstellation vorliegt mit der Folge, daß wiederum ein zu großer Weg von dem Gegenstand zurückgelegt wird. Es würde sich ein Hin- und Herschaukeln ohne Verringerung der absoluten Positionsdifferenz ergeben, also eine Schwingung auftreten. Um dies zu vermeiden, muß die Regelkreissicherheit erhöht werden, wodurch jedoch gleichzeitig eine Verringerung der Positionsgenauigkeit erfolgt.

Anders verhält es sich bei der vorliegenden Erfindung. Hier wird nicht beispielsweise die Spannung langsam hochgefahren bis eine Bewegung erfolgt, sondern ein Energiepuls, beispielsweise ein Spannungspuls, dem Antrieb zugeführt. Dies ist vergleichbar mit einem kurzen Schlag gegen den Gegenstand. Eine weitere Energiezufuhr erfolgt zunächst nicht. Erst nachdem die Reaktion des Gegenstandes nach einer Zeitdifferenz abgeschlossen ist, wird das Ergebnis ermittelt und ggf. ein erneuter Energiepuls dem Antriebselement zugeführt.

Dadurch sind feinste Positionierdifferenzen bis in den Nanometerbereich ermöglicht.

Die Größe des Energiepulses kann in Abhängigkeit einer erfolgten Wegdifferenz und/oder der Differenz von der Ist- zu der Sollposition, also einer Positionierdifferenz, dimensioniert werden. Erfolgt beispielsweise keinerlei Bewegung des Gegenstandes aufgrund des ersten Energiepulses, wird die Größe des Energiepulses erhöht. Ebenfalls kann die Größe des Energiepulses mit der Positionierdifferenz in Relation gesetzt werden. Es ergibt sich somit eine im wesentlichen angepaßte Größe des Energiepulses, die eine schnelle Positionierung erlaubt.

Vorteilhafterweise kann eine Eichung des Energiepulses vorgesehen sein. Die Eichung beinhaltet beispielsweise den minimalen Energiepuls, um den Gegenstand zu bewegen, sowie eine Intensität des Energiepulses in Relation zu der Positionierdifferenz. Mit dieser Eichung werden dann die individuellen Eigenschaften des Gegenstandes, des Antriebes etc. erfaßt, wodurch bereits der erste Energiepuls entsprechend ausgelegt werden kann. Auch dies führt zu einer Verringerung einer erforderlichen Positionierzeit.

Auch die Größe der ggf. weiter erforderlichen Energiepulse kann in Abhängigkeit der Eichung und der Positionierdifferenz gesteuert werden.

Als Energiepuls kann eine Mehrzahl von Einzelpulsen mit einer zeitlichen Einzelpulsbreite gewählt werden. Die Intensität des Energiepulses kann dann durch eine Variation der Anzahl der Einzelpulse und/oder der Einzelpulsbreite gesteuert werden. Dadurch ergibt sich ein fein dosierbarer Energiepuls, der den jeweiligen Gegebenheiten und insbesondere auch der Positionierdifferenz angepaßt werden kann.

Zur Dosierung des Energiepulses kann neben der Einzelpulsbreite auch eine Einzelpulshöhe variiert werden.

Es kann zwischen einer Grob- und Feinpositionierung unterschieden werden. Bei der Grobpositionierung kann dann die Positionierung in größeren Schritten erfolgen, beispielsweise durch eine größere Intensität des Energiepulses, während bei der Feinpositionierung die Positionierschritte entsprechend kleiner gewählt werden. Dadurch wird eine Verringerung der Positionierzeit erreicht.

Es besteht aber auch die Möglichkeit, daß die Grobpositionierung mittels des bekannten und oben bereits erläuterten Regelkreises erfolgt. Die Regelkreissicherheit kann dann relativ hoch gewählt werden, wodurch ein Schwingungsvorgang sicher vermieden wird. Die sich an der Grobpositionierung anschließende Feinpositionierung erfolgt dann durch eine Steuerung mittels der Energiepulse. Während der Feinpositionierung ist der Regelkreis geöffnet, nach der Feinpositionierung wieder geschlossen.

Die Vorrichtung zur Positionierung eines Gegenstandes weist einen Antrieb auf, der auf den Gegenstand einwirkt. Es ist ein Istwertgeber vorgesehen, der die Istposition des Gegenstandes ausgibt. Eine Steuerung ist mit dem Istwertgeber und einer Energiequelle verbunden. Die Steuerung ermittelt aus der Ist- und einer Sollposition eine Wegdifferenz. In Abhängigkeit von der ermittelten Wegdifferenz steuert die Steuerung den Antrieb pulsartig an. Mit dieser Vorrichtung sind die oben beschriebenen Verfahrensschritte realisierbar.

Der Antrieb sollte selbsthemmend ausgebildet sein. Dies bedeutet, daß keine Bewegung des Gegenstandes ohne äußere Einflüsse erfolgen sollte. Dadurch wird sichergestellt, daß bei einer einmal erreichten Positionierung diese nicht verändert wird und somit eine entsprechende Nachregelung entbehrlich ist.

Um eine Grobpositionierung mittels eines bekannten Regelkreises vorzunehmen, kann die Vorrichtung diesen Regelkreis aufweisen, der auf die Position des Gegenstandes einwirkt. Dem Regelkreis ist ein Schalter zugeordnet, der die Positionen "offen" und "geschlossen" aufweist. Der Schalter steht mit der Steuerung in Verbindung und ist derart angeordnet und ausgebildet, daß entweder der Regelkreis oder die pulsartige Ansteuerung aktiviert ist. Mit anderen Worten ist die pulsartige Ansteuerung bei der Grobpositionierung ausgeschaltet, die Positionierung erfolgt ausschließlich mittels des bekannten Regelkreises. Erst bei der Feinpositionierung wird die pulsartige Ansteuerung aktiviert, der Regelkreis dagegen deaktiviert.

Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels weiter erläutert.

Es zeigen, jeweils in schematisierter Darstellung,

Fig. 1a einen zu positionierenden Schlitten,

Fig. 1b ein Geschwindigkeits-, Weg- Diagramm des Schlittens,

Fig. 1c eine Ausschnittsvergrößerung gemäß Fig. 1b und

Fig. 2 ein Blockdiagramm einer Positionierung.

In der Fig. 1a ist als eine Anwendungsmöglichkeit ein als Schlitten 1 ausgebildeter Gegenstand 2 dargestellt. Der Schlitten 1 soll gemäß eines Doppelpfeiles 3 in eine vorgegebene Position verbracht werden. Zur Positionierung ist der Schlitten 1 mit einem Antrieb 4, der eine Spindel 5, eine Kupplung 6 und ein Getriebe 7 aufweist, mit einem Motor 8 verbunden. Dem Motor 8 ist ein Drehimpulsgeber 9 zugeordnet, der über eine Leitung 10 mit einer Steuerung/Regelung 11 in Verbindung steht. An einem Eingang 12 der Steuerung/Regelung 11 liegt ein Signal eines Istwertgebers 13 an. Die Speisung der Steuerung/Regelung 11 erfolgt über eine Energiequelle 14.

In den Fig. 1b und c ist eine Geschwindigkeit v über den Weg s des Schlittens 1 bei einer Positionierung dargestellt.

Zunächst wird der Schlitten 1 in die Nähe einer Sollposition 15 mittels einer bekannten Regelung verbracht. Dieser Grobpositionierung 16 ist eine Grobpositioniertoleranz 17 zugeordnet. Die Regelung ist derart ausgelegt, daß eine hohe Regelsicherheit gegeben ist. Im Rahmen dieser Grobpositionierung 16 wird der Schlitten 1 im wesentlichen linear bis auf eine Geschwindigkeit v₀ beschleunigt, mit dieser Geschwindigkeit v₀ in Richtung der Sollposition 15 bewegt und auf die Geschwindigkeit v = 0 abgebremst. Eine sich ergebene Istposition 18' weist zumeist einen Abstand 19 zu der Sollposition 15 auf, der innerhalb der Grobpositioniertoleranz 17 liegt.

Zur Verringerung des Abstandes 19 zwischen der Sollposition 15 und der Istposition 18' nach der Grobpositionierung 16 wird der Regelkreis geöffnet und der Gegenstand 1 mittels Pulse 20 einer Istposition 18'' zugeführt, die näher an der Sollposition 15 und innerhalb einer Feinpositioniertoleranz 21 liegt. Dafür können eine Mehrzahl von Pulsen 20 erforderlich sein, die in der Anzahl, Größe und Dauer variieren können. Diese Positionierung wird als Feinpositionierung 22 bezeichnet.

Nach Abschluß der Feinpositionierung 22 wird der Regelkreis wieder geschlossen.

In der Fig. 2 ist die Positionierung in Form eines Blockdiagramms dargestellt. Zu Beginn der Positionierung erfolgt eine Abfrage, ob sich der Gegenstand bereits innerhalb der Grobpositioniertoleranz (ds_G) 17 befindet. Ist dies nicht der Fall, erfolgt die Regelung bis die Istposition 18' erreicht ist.

Anschließend wird der Regelkreis geöffnet, also deaktiviert, und die Feinpositionierung aktiviert.

Falls die Position des Gegenstandes 1 sich bereits innerhalb der Feinpositioniertoleranz (ds_F) 21 befindet, wird der Regelkreis wieder geschlossen und die Feinpositionierung deaktiviert. Die Positionierung ist abgeschlossen.

In den meisten Fällen erreicht die Grobpositionierung 16 jedoch nur eine relativ grobe Annäherung an die Sollposition 15. In Abhängigkeit des Vorzeichens der Differenz zwischen der Istposition 18' und der Sollposition 15 erfolgt ein negativer bzw. positiver Puls 20 auf den Gegenstand 1. Nach einem Zuwarten der Reaktion des Gegenstandes 1 auf den Puls 20 wird in einer Schleife die Positionsabfrage und das Pulsen solange wiederholt, bis sich der Gegenstand innerhalb der Feinpositioniertoleranz 21 befindet. Ist dies der Fall, wird die Feinpositionierung 22 beendet und der Regelkreis wieder geschlossen.

Bezugszeichenliste

1

Schlitten

2

Gegenstand

3

Doppelpfeil

4

Antrieb

5

Spindel

6

Kupplung

7

Getriebe

8

Motor

9

Drehimpulsgeber

10

Leitung

11

Steuerung/Regelung

12

Eingang

13

Istwertgeber

14

Energiequelle

15

Sollposition

16

Grobpositionierung

17

Grobpositioniertoleranz

18

' Istposition

18

'' Istposition

19

Abstand

20

Puls

21

Feinpositioniertoleranz

22

Feinpositionierung
d Toleranz
F fein
G grob
s Weg
v Geschwindigkeit

Claims

1. Verfahren zur Positionierung eines Gegenstandes mit folgenden Verfahrensschritten:

1. es wird eine Differenz zwischen einer Ist- und einer Sollposition (18', 18''; 15) ermittelt,
2. ein den Gegenstand (1) bewegender Antrieb (4) wird mit einem Energiepuls (20) beaufschlagt,
3. eine durch den Energiepuls (20) hervorgerufene Verstellung wird ermittelt, wobei
- 3.1 die Ermittlung der Verstellung im wesentlichen nach Abschluß der Bewegung erfolgt,
4. in Abhängigkeit von der Ist- zu der Sollposition (18', 18''; 15) ist der Antrieb (4) mehrfach mit einem Energiepuls (20) beaufschlagbar.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe des Energiepulses (20) in Abhängigkeit der erfolgten Wegdifferenz und/oder der Differenz von der Ist- zu der Sollposition (18', 18''; 15) dimensioniert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Eichung des Energiepulses (20) erfolgt.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Energiepuls (20) in Abhängigkeit der Eichung und der Differenz zwischen der Ist- und der Sollposition (18', 18''; 15) ausgelegt wird.

5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Energiepuls (20) eine Mehrzahl von Einzelpulsen mit einer zeitlichen Einzelpulsbreite gewählt ist.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Intensität des Energiepulses (20) durch eine Variation der Anzahl der Einzelpulse und/oder der Einzelpulsbreite gesteuert wird.

7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen einer Grob- und Feinpositionierung (16, 22) unterschieden wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Grobpositionierung (16) in einem Regelkreis mit einer relativ hohen Regelkreissicherheit und die Feinpositionierung (22) durch eine Steuerung mittels Energiepulse (20) erfolgt.

9. Vorrichtung zur Positionierung eines Gegenstandes mit folgenden Merkmalen:

1. einem Antrieb (4), der
- 1.1 auf den Gegenstand (1) einwirkt,
2. einer Energiequelle (14),
3. einem Istwertgeber (13), der die Istposition (18'') des Gegenstandes ausgibt,
4. einer Steuerung,
- 4.1 die mit dem Istwertgeber (13) und
- 4.2 der Energiequelle (14) verbunden ist,
- 4.3 die eine Wegdifferenz aus der Ist- und einer Sollposition (18'', 15) ermittelt, und
- 4.4 mit der der Antrieb (4) pulsartig in Abhängigkeit der Wegdifferenz ansteuerbar ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein auf die Position des Gegenstandes (1) einwirkender Regelkreis vorgesehen ist, daß dem Regelkreis ein Schalter mit den Positionen "offen" und "geschlossen"

zugeordnet ist, daß der Schalter mit der Steuerung in Verbindung steht, und daß der Schalter derart angeordnet und ausgebildet ist, daß entweder der Regelkreis oder die pulsartige Ansteuerung aktiviert ist.