DE19938602C2 - Universelles Positioniersystem - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Positioniersystem für Objekte, das einen Grundkörper (1), einen relativ zum Grundkörper (1) beweglichen Objektträger (2) und sechs Stützen (3 bis 8) mit veränderlicher Länge umfaßt, die den Objektträger (2) gegen den Grundkörper (1) abstützten und dabei kardanisch am Grundkörper (1) und am Objektträger (2) angelenkt sind. DOLLAR A Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß mindestens einer der Stützen (3 bis 8) eine interferometrische Längenmeßeinrichtung zur Ermittlung des Abstandes und/oder von Abstandsänderungen zwischen Grundkörper (1) und Objektträger (2) zugeordnet ist. Damit sind Abstände bzw. Abstandsänderungen hochgenau meßbar, da die Lichtwellenlänge als Längen-Normal genutzt wird.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Positioniersystem für Objekte, das einen Grundkörper, einen relativ zum Grundkör­ per beweglichen Objektträger und sechs Stützen mit verän­ derlicher Länge umfaßt, die den Objektträger gegen den Grundkörper abstützten und dabei kardanisch an der Grund­ platte und am Objektträger angelenkt sind.

Positioniersysteme dieser Art, die auch unter den Bezeich­ nungen "Hexapod" und "Stewartsche Plattform" bekannt sind, sind sehr gut geeignet, ein Objekt nach Bedarf in allen sechs Freiheitsgraden im Raum zu positionieren.

In der Regel sind der Grundkörper und der Objektträger in Form von Platten ausgeführt; als längenveränderliche Stüt­ zen werden häufig Hubspindeln verwendet, die so zwischen Grundplatte und Objektträger angeordnet sind, daß sie nähe­ rungsweise ein Oktaeder einschließen. Jede Längenänderung einer oder auch mehrerer der Hubspindeln haben die Positi­ onsänderung eines auf dem Objektträger angeordneten Objek­ tes zur Folge.

Dabei wird das Positioniersystem meist so verwendet, daß der Grundkörper in relativer Ruhe verharrt, während die Längenänderungen der Hubspindeln als Stellbewegungen auf den Objektträger übertragen werden. So sind je nach veran­ laßter Längenänderung der Hubspindeln, wobei deren Ansteue­ rung in der Regel über eine spezielle Software erfolgt, Ob­ jektbewegungen wie schiefwinklige Translation, Rotation um eine beliebig im Raum liegende Achse und ähnlich möglich. Aufgrund ihrer universellen Eigenschaften sind derartige Systeme sehr gut geeignet für die Positionierung von Werk­ zeugen oder Werkstücken auf NC-gesteuerten Maschinen, von Teleskopen bei wissenschaftlicher Anwendung, von Proben in der Mikroskopie usw.

Die Positioniergenauigkeit, die dabei erreicht werden kann, ist wesentlich von der Fertigungsgenauigkeit der verwende­ ten Antriebs-, Verbindungs- und Bewegungselemente des Posi­ tioniersystems abhängig und wird bestimmt z. B. durch Lager­ spiel, Umkehrspannen von Linearantrieben, Steigungsfehlern der Spindeln usw.

Bekanntermaßen ist die Genauigkeit der mechanischen Ferti­ gung aber begrenzt bzw. die Herstellung genauer Baugruppen ist um so aufwendiger, je höher die Anforderungen an die Präzision sind. Daraus ergibt sich, daß Positioniersysteme entweder aufgrund unzureichender Genauigkeit für bestimmte Anwendungen nicht geeignet oder die Herstellungskosten so hoch sind, daß ihr Einsatz aus wirtschaftlicher Sicht nicht vertretbar ist. Hinzu kommt der Umstand, daß die mechani­ schen Baugruppen solcher Positioniersysteme einem gewissem Verschleiß und dadurch Genauigkeitsverlusten unterliegen, was ihre Einsatzbereitschaft für Fälle hoher Präzisionsan­ forderungen zeitlich auch noch begrenzt.

Die DE 197 42 205 A1 betrifft eine Mikropositioniereinrich­ tung, die nach dem vorbeschriebenen Prinzip aufgebaut ist und für die automatisierte Präzisionsmontage Anwendung fin­ det. Mit der Anwendung dieser Mikropositioniereinrichtung sollen Positionierungenauigkeiten und Strukturschwingungen eines übergeordneten Handhabungsgerätes ausgeglichen wer­ den, wie z. B. eines Industrieroboters oder eines Bestüc­ kungsautomaten für die Elektronikfertigung.

Aber dieser Ausgleich von Ungenauigkeiten ist nur bis zu einer Genauigkeitsklasse möglich, in den die Mikropositio­ niereinrichtung einzuordnen ist. Das Problem der ver­ schleißbedingt zunehmenden Ungenauigkeit mit fortschreiten­ der Lebensdauer besteht auch hier.

In US 5,604,593 ist eine Anordnung beschrieben, die einen Hexapoden betrifft, bei dem die Lage des beweglichen Teiles gegenüber dem Grundkörper interferometrisch bestimmt wird. Hier sind ein Grundkörper, ein relativ zum Grundkörper be­ weglicher Objektträger sowie sechs Stützen mit jeweils ver­ änderlicher Länge vorgesehen, die den Objektträger gegen den Grundkörper abstützen und dabei kardanisch aufgehängt sind. Mit einer interferometrischen Anordnung wird der Ab­ stand oder die Abstandsänderung zwischen dem Grundkörper und dem Objektträger ermittelt bzw. kontrolliert.

Von diesem Stand der Technik ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Positioniersystem der eingangs beschriebenen Art so weiterzubilden, daß der Einfluß unge­ nauer mechanischer Bauteile und Baugruppen auf die Positio­ niergenauigkeit weitestgehend kompensiert ist.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß mindestens einer der Stützen eine interferometrische Längenmeßeinrichtung zur Ermittlung des Abstandes und/oder von Abstandsänderungen zwischen Grundkörper und Objektträger zugeordnet ist. Damit sind Abstände bzw. Abstandsänderungen hochgenau meßbar, da die Lichtwellenlänge als Längen-Normal genutzt wird.

Bekanntermaßen entspricht die Weglänge zwischen zwei inter­ ferometrisch zugrunde gelegten Meßpunkten, beispielsweise zwischen den beiden Anlenkpunkten einer Stütze an den Grundkörper einerseits und den Objektträger andererseits, der Zahl der zwischen diese Punkte fallenden halben Wellen­ längen (entsprechend der Zahl der Interferenzstreifen), multipliziert mit λ/2. Damit ist eine Längenänderung unter Ausschaltung der mechanischen Fehler möglich, die der Stüt­ ze und auch dem Ankoppelmechanismus zwischen Stütze und Grundkörper bzw. Objektträger anhaften und die Position oder auch eine Positionsänderung des Objektes kann mit höchster Genauigkeit präzise erfaßt werden.

In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung weist die in­ terferometrische Längenmeßeinrichtung einen Polarisations­ strahlteiler auf, durch den ein Beleuchtungsstrahlengang in einen Referenzstrahl und einen Meßstrahl aufgezweigt wird, wonach der Referenzstrahl sofort durch einen Polarisations­ filter hindurch auf einen Intensitätsteiler gerichtet ist, von dem aus je ein Referenzteilstrahl auf einen von zwei Detektoren trifft.

Der Meßstrahl dagegen wird von der Teilerfläche des Polari­ sationsstrahlteilers abgelenkt und zunächst durch eine λ/4- Platte hindurch auf einen der Anlenkpunkte der Stütze, z. B. am Grundkörper, gerichtet. Von einem Reflektor, der bei diesem Anlenkpunkt angeordnet ist, wird der Meßstrahl in sich selbst zurückgeworfen und trifft nach wiederholtem Durchgang durch die λ/4-Platte, den Polarisationsstrahltei­ ler und einer weiteren λ/4-Platte auf einen dem gegenüber­ liegenden Anlenkpunkt dieser Stütze zugeordneten Reflektor. Dort wird der Meßstrahl wiederum in sich zurückgeworfen, passiert die zweite λ/4-Platte und erreicht die Teilerflä­ che des Polarisationsstrahlteilers, die ihn zum Polarisati­ onsfilter hin ablenkt.

Nach Passieren des Polarisationsfilters erfolgt durch den Intensitätsteiler auch die Aufzweigung des Meßstrahles in zwei Meßteilstrahlen, die ebenso wie die Referenzteilstrah­ len auf die beiden Detektoren gerichtet sind. Da die Teil­ strahlen beim Durchgang durch den Polarisationsfilter gleich polarisiert werden, interferieren auf jedem der bei­ den Detektoren ein Meßteilstrahl und einen Referenzteil­ strahl.

Mit der Änderung des Abstandes zwischen den beiden Reflek­ toren, die dem Grundkörper einerseits und dem Objektträger andererseits fest zugeordnet sind, entstehen Phasenver­ schiebungen, die als Hell-Dunkel-Interferenzen von den bei­ den Detektoren wahrgenommen und in elektrische Signale ge­ wandelt werden.

Vorteilhafterweise kann zwischen dem Intensitätsteiler und einem der Detektoren eine weitere λ/4-Platte vorgesehen sein, womit erreicht wird, daß die von den beiden Detekto­ ren aufgenommenen Signale um 90° phasenverschoben sind und es so möglich ist, nicht nur eine Abstandänderung zu regi­ strieren, sondern auch die Richtung zu ermitteln, in der die Abstandsänderung erfolgt.

Vorteilhaft sind als Beleuchtungsquelle ein Laser und zur Übertragung des Laserlichtes zu der betreffenden Stütze Lichtwellenleiter vorgesehen.

Wird jeder der sechs Stützen eine inferometrische Längen­ meßeinrichtung zugeordnet, ist es vorteilhaft, in den Über­ tragungsweg ein Koppelelement einzuordnen, durch welches der vom Laser kommende Lichtwellenleiter 6-fach verzweigt bzw. eine Aufzweigung des vom Laser kommenden Beleuchtungs­ strahles in sechs Beleuchtungsteilstrahlen gleicher Inten­ sität vorgenommen wird.

Vorteilhaft werden als Lichtwellenleiter Monomodefasern ge­ nutzt und zur Einkopplung des Laserlichtes aus der Monomo­ defaser in die Polarisationsstrahlenteiler der interferome­ trischen Längenmeßeinrichtungen Selfoc-Linsen verwendet. Auf diese Weise wird das Laserlicht polerhaltend von der Quelle zur Längenmeßeinrichtung übertragen.

Die beiden Detektoren sind mit einer Auswerteschaltung ver­ bunden, in der die durch Phasenverschiebung bewirkten Hell- Dunkel-Interferenzen in richtungsabhängige Längenmaße ge­ wandelt und an eine Ausgabeeinrichtung, beispielsweise ein Display, weitergegeben werden.

Eine besonders bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß sich die Stützrichtungen der Stützen und damit auch die Meßachsen der interferometrischen Meßanordnungen abwechselnd im Grundkörper und im Objektträger schneiden, dieser Schnittpunkt zugleich der Gelenkpunkt der Ankopplung der Stützen ist und jedem dieser Gelenkpunkte ein gemeinsa­ mer, als Kugelreflektor ausgebildeter Spiegel zugeordnet ist. Anders formuliert: die Stützrichtungen sind fortlau­ fend wechselweise auf einen Kugelreflektor im Grundkörper und im Objektträger gerichtet.

Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbei­ spieles näher erläutert werden.

In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 den prinzipiellen Aufbau eines Positioniersy­ stems, auf das sich die Erfindung bezieht

Fig. 2 eine Darstellung der erfindungsgemäßen Anord­ nung,

Fig. 3 die Anordnung der Kugelreflektoren,

Fig. 4 das Schema des Strahlenverlaufes im Positionier­ system

Der prinzipielle Aufbau des universellen Positioniersystems nach Fig. 1 umfaßt einen Grundkörper 1, einen Objektträger 2 und sechs Stützen 3 bis 8, deren Länge veränderlich ist. Grundkörper 1 und Objektträger 2 sind vorzugsweise als kreisrunde Platten ausgebildet; die Stützen 3 bis 8 können beispielhaft Hubspindeln sein, die mit einem elektromagne­ tischen Antrieben gekoppelt ist und je nach Ansteuerung des Antriebes ihre Länge vergrößern oder verringern.

Jede der Stützen 3 bis 8 ist mit einem ihrer Enden über ein Kardangelenk mit der Grundplatte 1 und mit dem anderen En­ de, ebenfalls über ein Kardangelenk, mit dem Objektträger 2 verbunden.

Wird durch Ansteuerung des Antriebes für eine oder mehrere der Stützen 3 bis 8 eine Stellbewegung ausgelöst, um eine Translation, Rotation oder auch Neigungsänderung des Ob­ jektträgers 2 gegenüber dem Grundkörper 1 zu bewirken, än­ dern sich mit der Länge der Stützen 3 bis 8 auch die Nei­ gungen ihrer Achsen, die der Stützrichtung entsprechen, ge­ genüber dem Grundkörper 1 und dem Objektträger 2.

In Fig. 2 ist zu erkennen, daß die durch das Zentrum der Kardangelenke hindurch verlängerten Achsen sich in Teil­ kreisen schneiden, von denen einer im Grundkörper 1 und ei­ ner im Objektträger 2 liegt. Dabei haben die Schnittpunkte auf beiden Teilkreisen stets einen Abstand von 120°.

So schneiden sich die Achsen der Stützen 3 und 4 im Punkt 9, der auf einem Teilkreis im Grundkörper 1 liegt; die Ach­ sen der Stützen 5 und 6 schneiden sich im Punkt 11 und die Achsen der Stützen 7 und 8 im Punkt 10 desselben Teilkrei­ ses. Die gegenüberliegenden Enden der Stützen 3 bis 8 schneiden sich, wie aus Fig. 2 ersichtlich, in den Punkten 12, 13 und 14, die auf einem Teilkreis im Objektträger 2 liegen.

Dabei müssen die Drehachsen bzw. Gelenkpunkte der Kardange­ lenke nicht unmittelbar in den Schnittpunkten 9 bis 14 lie­ gen, sie befinden sich jedoch auf den Achsen der betreffen­ den Stützen 3 bis 8.

Um nun die Genauigkeit der Positionierung eines auf dem Ob­ jektträger 2 befestigen Objektes, das zeichnerisch nicht dargestellt ist, zu erhöhen, ist erfindungsgemäß vorgese­ hen, die Stützen 3 bis 8 hohl auszubilden und in ihre Zen­ tren den Meßstrahlengang einer interferometrischen Längen­ meßanordnung zu legen.

Das Prinzip einer solchen interferometrischen Längenmeß­ anordnung ist in Fig. 2 anhand der Stütze 3 beispielhaft dargestellt. Hier ist ein Polarisationsstrahlteiler 15 zu erkennen, in den mittels einer Monomodefaser 16 Licht ein­ gekoppelt wird, das von einer zeichnerisch nicht darge­ stellten Laserquelle kommt. Das Laserlicht trifft, wie im weiteren erläutert wird, sowohl über einen Referenzstrahl 17 als auch über einen Meßstrahl 18 auf zwei Detektoren 19 und 20. Dabei verläuft der Meßstrahl 18 in der Achse der Stütze 3 zwischen zwei Kugelreflektoren 21 und 22.

In Fig. 3 ist dieser Strahlenverlauf detailliert darge­ stellt. Beispielhaft erfolgt die Einkopplung des durch die Monomodefaser 16 herangeführten Laserlichtes über eine Sel­ foc-Linse 23 in den Polarisationsstrahlteiler 15 derart, daß an der Teilerfläche 24 eine Aufzweigung in den Refe­ renzstrahl 17 und den Meßstrahl 18 erfolgt, wobei der Refe­ renzstrahl 17 sofort durch einen Polarisationsfilter 25 hindurch auf einen Intensitätsteiler 26 gerichtet ist, von dem jeweils ein Referenzteilstrahl 17.1 auf den Detektor 19 und ein Referenzteilstrahl 17.2 auf den Detektor 20 trifft.

Dagegen wird der Meßstrahl 18 zunächst von der Teilerfläche 24 abgelenkt und erreicht durch eine λ/4-Platte 27 hindurch den Reflektor 21.

Vom Reflektor 21 wird der Meßstrahl 18 in sich selbst zu­ rückgeworfen und trifft nach wiederholtem Durchgang durch die λ/4-Platte 27, nach Durchgang durch die Teilerfläche 24 und durch eine weitere λ/4-Platte 28 auf den Reflektor 22. Auch vom Reflektor 22 wird der Meßstrahl 18 in sich zurück­ geworfen und trifft nach wiederholtem Passieren der λ/4- Platte 28 auf die Teilerfläche 24, von der er so abgelenkt wird, daß er den Polarisationsfilter 25 passiert und danach durch den Intensitätsteiler 26 in einen Meßteilstrahl 18.1 und einen Meßteilstrahl 18.2 aufgezweigt wird. So erreicht der Meßteilstrahl 18.1 nach dem Referenzteilstrahl 17.1 ebenfalls den Detektor 19, der Meßteilstrahl 18.2 trifft auf den Detektor 20.

Der Meßteilstrahl 18.1 interferiert im Empfänger 19 mit dem Referenzteilstrahl 17.1; der Meßteilstrahl 18.2 interfe­ riert im Empfänger 20 mit dem Referenzteilstrahl 17.2. Än­ dert sich der Abstand der beiden Reflektoren 21 und 22 zu­ einander, entstehen Phasenverschiebungen, die als Hell- Dunkel-Interferenzen von den Empfängern 19 und 20 in elek­ trische Signale gewandelt und einer Auswerteeinrichtung (zeichnerisch nicht dargestellt) zugeführt werden können, in der aus den Interferenzen Längenmaße gewonnen werden.

Eine sehr vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß dem Empfänger 19 eine weitere λ/4-Platte 29 vor­ geordnet ist, die dafür sorgt, daß die an den Empfängern 19 und 20 ankommenden Signale um 90°-Phasen verschoben sind, wodurch es möglich ist, nicht nur schlechthin eine Ab­ standsänderung der Reflektoren 21 und 22, sondern auch die Richtung der Abstandsänderung zu detektieren.

Die Kugelreflektoren 21, 22 sind fest am Grundkörper 1 bzw. am Objektträger 2 angeordnet, der Kugelmittelpunkt ist ex­ akt im Schnittpunkt der Achsen jeweils zweier Stützen posi­ tioniert. Auf diese Weise wird erreicht, daß der Meßstrahl unabhängig von der Neigung der Achse gegen den Grundkörper 1 bzw. gegen den Objektträger 2 in sich reflektiert wird.

Bezugszeichenliste

1

Grundkörper

2

Objektträger

3

bis

8

Stützen

9

bis

14

Schnittpunkte

15

Polarisationsstrahlteiler

16

Monomodefaser

17

Referenzstrahl

18

Meßstrahl

19

,

20

Detektoren

21

,

22

Kugelreflektoren

23

Selfoc-Linse

24

Teilerfläche

25

Polarisationsfilter

26

Intensitätsteiler

27

,

28

,

29

λ/4-Platten

Claims (6)

1. Positioniersystem für Objekte, umfassend einen Grund­ körper (1), einen relativ zum Grundkörper (1) bewegli­ chen Objektträger (2) und sechs Stützen (3 bis 8) mit veränderlicher Länge, die den Objektträger (2) gegen den Grundkörper (1) abstützen und dabei kardanisch an­ gelenkt sind, wobei mindestens einer der Stützen eine Interferometeranordnung mit Reflektoren zur Ermitt­ lung des Abstandes und/oder von Abstandsänderungen zwi­ schen dem Grundkörper (1) und dem Objektträger (2) zugeord­ net ist, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils zwei Stüt­ zen einen gemeinsamen Anlenkpunkt im Grundkörper (1) bzw. im Objektträger (2) haben und als Reflektoren Ku­ gelreflektoren (21; 22) vorgesehen sind, wobei jeweils zwei Stützen ein Kugelreflektor zugeordnet ist.

2. Positioniersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Interferometeranordnung einen Polarisati­ onsstrahlenteiler (15) aufweist, durch den ein Beleuch­ tungsstrahl in einen Referenzstrahl (17) und einen Meß­ strahl (18) aufgezweigt wird, wobei der Referenzstrahl (17) sofort durch einen Polarisationsfilter (25) hin­ durch auf einen Intensitätsteiler (26) gerichtet ist, von dem je ein Referenzteilstrahl (17.1; 17.2) auf einen von zwei Detektoren (19, 20) trifft, während der Meß­ strahl (18) von der Teilerfläche (24) des Polarisati­ onsstrahlteilers (15) abgelenkt und zunächst durch eine λ/4-Platte (27) hindurch auf einen der Anlenkpunkte ge­ richtet ist, von einem Reflektor in sich selbst zurück­ geworfen wird, nach wiederholtem Durchgang durch die l/4-Platte (27), den Polarisationsstrahlenteiler (15) und einer weiteren λ/4-Platte (28) auf einen dem gegen­ überliegenden Anlenkpunkt derselben Stütze zugeordneten Reflektor trifft, von diesem ebenfalls in sich zurück­ geworfen wird, wiederum die zweite λ/4-Platte (28) pas­ siert, danach von der Teilerfläche (24) zum Polarisati­ onsfilter (25) abgelenkt wird, nach Passieren des Pola­ risationsfilter (25) vom Intensitätsteiler (26) aufge­ zweigt wird und danach mit je einem Meßteilstrahl (18.1; 18.2) die Detektoren (19, 20) erreicht, wo der Meßteilstrahl (18.1) mit dem Referenzteilstrahl (17.1) und der Meßteilstrahl (18.2) mit dem Referenzteilstrahl (18.2) interferiert.

3. Positioniersystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß als Quelle für den Beleuchtungsstrahl ein Laser und zur Übertragung des Beleuchtungsstrahles von der Quelle zur Stütze Lichtwellenleiter (16) vorge­ sehen sind.

4. Positioniersystem nach einem der vorgenannten Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der sechs Stüt­ zen (3 bis 8) eine Interferometeranordnung zugeordnet ist, wobei ein Koppelelement vorgesehen ist, durch das eine Verzweigung des vom Laser kommenden Beleuchtungs­ strahles in sechs Beleuchtungsteilstrahlen gleicher In­ tensität erfolgt.

5. Positioniersystem nach einem der vorgenannten Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß als Lichtwellenleiter (16) Monomodefasern vorgesehen und zur Einkopplung des Beleuchtungslichtes in den jeweiligen Polarisations­ strahlenteiler (15) Selfoc-Linsen (2) vorhanden sind.

6. Positioniersystem nach einem der vorgenannten Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektoren (19, 20) mit einer Auswerteschaltung verbunden sind, in der eine durch Abstandsänderung der beiden Reflektoren bewirkte Phasenverschiebung in richtungsabhängige Längenmaße ge­ wandelt wird.