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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Ruck- und Stoßentkopplung aktiver Linear- und Planarantriebe.
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Stand der Technik
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Nach derzeitigem technischem Stand ist die Verfahrensgeschwindigkeit einer Maschine maßgeblich von der Zustell- und Transportbewegungsgeschwindigkeit abhängig, da Werkzeuge und/oder Werkstücke über festgeschriebenen Achsenbahnen geführt werden. Die Bewegung wird dabei i. d. R. von indirekt elektronisch geregelten Antrieben ausgeführt und auf die linear oder planar zu bewegenden Maschinenschlitten übertragen.
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Steigt die Verfahrgeschwindigkeit, steigen auch die Beschleunigungs- und Ruckkräfte. Als Folge dessen fängt die Maschinenstruktur zu Schwingen an und wirkt somit unmittelbar auf die Präzision. Derzeitige Maschinen müssen deshalb ihre Verfahrgeschwindigkeit zurückfahren.
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Die Druckschriften
DE19810996A1 und
DE10117460A1 beschreiben technische Lösungen, um die auftretenden Ruckkräfte auf den Achsen vom Trägersystem der Maschine zu minimieren. Beide Verfahren verwenden dazu ein Direktantriebssystem. Die dabei entstehenden Kräfte [Vorschubkraft und Reaktionskraft] treten stets zeitgleich auf, sind stets von gleichem Betrag, zeigen stets in zueinander entgegengesetzte Wirkrichtungen und werden über eine Positionsregelung eingeschleift bzw. verrechnet. Dadurch wird die Übertragung der Schwingungskräfte der Achsantriebe bei hohen Verfahrensgeschwindigkeiten zum Trägersystem der Maschinen minimiert.
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Dies erfordert jedoch zusätzlichen Aufwand zur aktiven Ruckunterdrückung, in Form aktiver und präziser Regelung.
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Offenbarung der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung bzw. Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs hat demgegenüber den Vorteil, dass physikalische Ausgleichsbewegungen ausgenutzt werden können, um ungewollte Schwingungen zu verhindern.
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Hierbei beinhaltet, bzw. umfasst eine Vorrichtung zur Ruckentkopplung einer Bewegung wenigstens eines Linearantriebs ein Trägersystem, (wenigstens) einen beweglichen Antriebsteil eines Linearantriebs, eine mit dem beweglichen Antriebsteil verbundene Nutzlast, (wenigstens) einen statischen Antriebsteil des Linearantriebs, sowie eine damit verbundenen Trägheitsmasse. Das bewegliche Antriebsteil und die Nutzlast bilden eine Aktionsmasse und das statische Antriebsteil zusammen mit der Trägheitsmasse eine Reaktionsmasse. Die Reaktionsmasse ist frei beweglich in der Lagerebene und widerstandsfrei auf dem Trägersystem gelagert, sodass eine Bewegung der Aktionsmasse eine diametral entgegengesetzte ungebremste und ungedämpfte Bewegung der Reaktionsmasse bewirkt.
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In einer weiteren Ausführungsform verfügt die Vorrichtung über ein planares Antriebssystem, anstelle von zwei Linearantrieben, um die Nutzlast in drei Freiheitsgraden auf der Lagerebene bewegen zu können. Der statische Teil des Antriebssystems ist mit der beweglichen trägen Masse verbunden.
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In einer weiteren Ausführungsform verfügt die Vorrichtung zur Ruckentkopplung über zwei orthogonal zueinander angeordnete Linearantriebe, mit deren Hilfe sich die Nutzlast horizontal in einem durch die Linearantriebe aufgespannten Koordinatensystem bewegen lässt.
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In einer weiteren Ausführungsform umfasst die Vorrichtung zur Ruckentkopplung Vorrichtungen für die Lagerung der Reaktionsmasse auf dem Trägersystem, welche eine freie Bewegung der Reaktionsmasse in der horizontalen Ebene zulassen.
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In einer weiteren Ausführungsform der Vorrichtung zur Ruckentkopplung ist die Reaktionsmasse schwebend auf dem Trägersystem gelagert.
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In einer weiteren Ausführungsform der Vorrichtung zur Ruckentkopplung ist die Reaktionsmasse mittels der Vorrichtungen pneumatisch, magnetisch oder elektrostatisch auf dem Trägersystem gelagert.
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In einer weiteren Ausführungsform umfasst die Vorrichtung zur Ruckentkopplung eine Regeleinheit zum Ausgleich von Restreibungs- und Fremdeinwirkungskräften auf die Reaktionsmasse und wenigstens einen damit verbundenen Ausgleichsaktor, wobei der Ausgleichsaktor zum berührungslosen Verschieben der Reaktionsmasse in der horizontalen Ebene ausgebildet ist.
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In einer weiteren Ausführungsform umfasst die Vorrichtung zur Ruckentkopplung ein Sensorsystem, welches die Differenzen zwischen einer Soll- und Ist-Position der Reaktionsmasse und/ oder der Nutzlast erfasst und die Position der Reaktionsmasse und/oder der Nutzlast auf die Soll-Position der Reaktionsmasse und/oder der Nutzlast aktiv korrigierend nachregelt.
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In einer weiteren Ausführungsform der Vorrichtung zur Ruckentkopplung bewirkt der Ausgleichsaktor eine Positionsänderung der Reaktionsmasse gegenüber dem Trägersystem durch horizontal wirkende elektrodynamische oder magnetische Kräfte.
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In einer weiteren Ausführungsform der Vorrichtung zur Ruckentkopplung ist die durch die Bewegung der Aktionsmasse hervorgerufene Reaktionsbewegung der Reaktionsmasse durch ein definiertes Masseverhältnis zwischen der Aktionsmasse und der Reaktionsmasse in der horizontalen Ebene festgelegt.
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In einer weiteren Ausführungsform der Vorrichtung zur Ruckentkopplung ist das Verhältnis Aktionsmasse zur Reaktionsmasse kleiner als 1:10.
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Weiterhin umfasst ein Verfahren zur Ruckentkopplung einer Bewegung wenigstens eines Linearantriebs eine Aktionsmasse und eine Reaktionsmasse. Eine Bewegung der Reaktionsmasse hervorgerufen durch Reaktionskräfte bei dem Bewegen der Aktionsmasse wird in der horizontalen Ebene frei und ungedämpft zugelassen.
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In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens zur Ruckentkopplung wird eine Differenz zwischen einer Soll- und Ist-Position der Reaktionsmasse und/oder der Aktionsmasse mittels eines Sensorsystems erfasst und auf die Soll-Position der Aktionsmasse und/oder Reaktionsmasse aktiv korrigierend mittels eines Ausgleichsaktors nachgeregelt.
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In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens zur Ruckentkopplung wird zur genauen Positionierung der Nutzlast durch die beweglichen Linearantriebe eine bekannte Differenz zwischen einer Soll- und Ist-Position zwischen Trägersystem und Reaktionsmasse im Vorfeld im Fahrprofil vorgesteuert/geregelt berücksichtigt.
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Nachfolgend werden unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren weitere Ausführungsbeispiele näher beschrieben und erläutert.
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Es zeigt:
- 1 einen beispielhaften schematischen Aufbau einer ruckentkoppelten Vorrichtung.
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Wie in 1 gezeigt, umfasst die ruckentkoppelte Vorrichtung, Linearantriebe bzw. Transmissionsantriebe mit Transmissionsmotoren. Vier solcher Linearantriebe sind in der Figur dargestellt und ermöglichen translatorische Bewegungen einer Nutzlast (2) in einer Ebene. Die Linearantriebe weisen jeweils einen beweglichen Antriebsteil (1) auf, welche für die Bewegung der Nutzlast (2) verantwortlich sind. Der jeweilige bewegliche Antriebsteil (1) wird gegenüber einem statischen Antriebsteil (3) bei Betätigung des Antriebs bewegt. Die mehreren Linearantriebe können sich optional auch ein gemeinsames statisches Antriebsteil (3) teilen. Hier ist das statische Antriebsteil (3) ein umlaufender rechteckiger Rahmen, der auf den jeweils gegenüberliegenden Seiten Führungen für zwei bewegliche Antriebsteile (1) aufweist.
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Die statischen Antriebsteile (3) der Linearantriebe stützen sich an einer gemeinsamen Reaktionsmasse (4) ab. Dies bedeutet, dass diese so miteinander verbunden sind, dass Kräfte möglichst ohne Dämpfung oder Verzögerung direkt übertragen werden. Im Extremfall können die statischen Antriebsteile (3) und die Reaktionsmasse (4) unbeweglich gegeneinander oder gar einstückig ausgebildet sein.
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Aus kinematischer Sicht betrachtet, bilden das bewegliche Antriebsteil (1) und die Nutzlast (2) eine Aktionsmasse (1, 2) und die statischen Antriebsteile (3) zusammen mit der Trägheitsmasse (4) eine Reaktionsmasse (3, 4). Bei Betätigung des Linearantriebs bewegen sich die beiden Massen gegeneinander, wie später genauer beschrieben.
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Bei der vorliegenden Erfindung wird die Reaktionsmasse (
3,
4) frei beweglich in einer Ebene gelagert. Es gibt keine ungeregelten Dämpfungs- oder Rückstelleinrichtungen, wie aus dem Stand der Technik, wie beispielsweise aus
DE 19810996A1 und
DE 10117460 A1 bekannt. Beide bekannten Verfahren verwenden gefederte Systeme. Durch die erfindungsgemäße Lagerung - frei von ungeregelten Dämpfungs- und Rückstellkräften kann die Reaktionsmasse (
3,
4) Reaktionskräfte in alle Richtungen innerhalb der Lagerungs-Ebene aufnehmen. Die Bewegung der Reaktionsmasse (
3,
4) verhält sich somit diametral zur Bewegung der Aktionsmasse (
1,
2) der verbundenen Achsen. Haftreibungsfreie vertikal abstützende elektrostatische, magnetische oder pneumatische Vorrichtungen (
6) minimieren und eliminieren weitestgehend Störfaktoren, welche die selbständige und ungesteuerte Positionierung der Reaktionsmasse (
3,
4) verfälschen könnten, insbesondere wird dadurch die Trägheitsmasse (
3,
4) vom Trägersystem (
5) ruckentkoppelt. Eine Gegenstelle zur Achsenregelung der aktuellen Reaktionsmassenposition kann so entfallen. Der Vorteil wirkt sich vor allem bei Linearantrieben mit mehreren Achsen ohne nennenswerte Eingriffskräfte aus, wie z. B. bei additive Fertigungsanlagen oder Plasmaschneideinrichtungen.
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Ein Aspekt bezieht sich auf das Erlauben bzw. Bereitstellen einer ungedämpften, reibungsfreien Bewegung.
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Dieser bisher beschriebene Aufbau wird mit der Reaktionsmasse (3, 4) nun gegenüber einem Trägersystem (5), welches i. d. R. auf dem Boden steht, reibungsvermeidend angeordnet, z. B. gelagert oder aufgehängt. Die Reibungsvermeidung findet dabei insbesondere in der Richtung der Bewegungsrichtung der Linearantriebe statt. Im dargestellten System ist das eine durch die Linearantriebe aufgespannte Ebene, in der Bewegungen gegenüber des Trägersystems (5) ungebremst, bzw. ungedämpft, bzw. reibungslos/-arm zu erfolgen haben.
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Die Reaktionskräfte, die bei der Bewegung der Linearantriebe entstehen, werden durch diese Entkopplung von der Trägermasse (5) bei positiven sowie negativen Beschleunigungen dabei vollständig in die Reaktionsmasse (3, 4) übertragen und von ihr aufgenommen. Die Lagerung der Reaktionsmasse und die Aktoren zu dessen Verschiebung müssen dafür frei von geschwindigkeitsabhängigen Verlusten sein. Dies hat die gewünschte Wirkung, dass die Bewegungskräfte sofort, vollständig und einmalig übertragen werden und ein Ruckeln verhindert wird, auch wenn mehrere Bewegungen aufeinander folgen.
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Um das System mit Aktions- (1, 2) und Reaktionsmasse (3, 4) gegenüber anderen als den Bewegungsrichtungen der Linearantriebe, z. B. der Gewichtskraft vom Trägersystem (5) abzustützen, werden elektrostatische, magnetische oder pneumatische Vorrichtungen (6) eingesetzt. Die Vorrichtungen arbeiten derart, dass gleichzeitig in der nicht abgestützen Richtung eine ungedämpfte Bewegung ermöglicht wird. Im Beispiel wird das System in der Vertikalen durch die Vorrichtungen (6) gestützt, d. h. eine Bewegung in vertikaler Richtung verhindert und in der Horizontalen möglichst widerstandsfrei ermöglicht.
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Diese Widerstands- bzw. Reibungsfreiheit muss ausreichend ausgelegt sein. Ausreichend bedeutet hierbei, dass insbesondere keine Haftreibungseffekte auftreten, sondern höchstens geschwindigkeitsabhängige Reibungskomponenten zu berücksichtigen sind. Eine vollkommene Widerstandsfreiheit würde es lediglich im Vakuum geben. Die Option eines Betriebs des Geräts im Vakuum ist dafür denkbar. Es hat sich jedoch für verschiedene Anwendungen gezeigt, dass der Luftwiderstand kein Problem darstellt. Jedoch kann eine Flüssigkeitslagerung bereits zu viel Reibung aufweisen.
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Die Vorrichtungen (6) können in einer Variante durch Druckluft ein vertikales Abheben der Trägheitsmasse (4) verursachen. Wird die Druckluft gleichmäßig an den Ecken oder Kanten gegen die Unterseite der Trägheitsmasse (4) geblasen, führt das zu einem Schweben von Aktions- (1, 2) und Reaktionsmasse (3, 4). Dies kann auch geregelt erfolgen, wobei das Sensorsystem (7) den Abstand zwischen Trägheitsmasse (4) und Trägersystem (5) misst und auf einen Sollwert regelt. Der Luftspalt ist bevorzugt zwischen 3 und 6 Mikrometer.
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Auch kann eine solche Regelung Kippmomente ausgleichen, die durch Beschleunigen und Bremsen der beweglichen Antriebsteile (1) entstehen und so die Trägheitsmasse (4) kippen würden.
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Alternativ kann eine umlaufende Kerbe unterhalb der Trägheitsmasse (4) vorgesehen sein, durch die Luft gepresst wird. Dies führt ebenso dazu, dass sich die Trägheitsmasse (4) vom Trägheitssystem (5) abhebt.
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Die Vorrichtungen (6) können auch bekannte Ungenauigkeiten ausgleichen. Beispielsweise können werksseitige Kalibrierungen der Vorrichtungen (6) Fertigungsungenauigkeiten anderer Systemteile ausgleichen. Auch können Kalibrierungen am Einsatzort vorgesehen sein, um z. B. ein Aufstellen auf einem schrägen Boden auszugleichen.
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Die auftretenden Reaktionsbewegungen der Reaktionsmasse (3, 4) durch die Linearantriebe werden unter Zuhilfenahme eines definierten Masseverhältnisses zwischen der Aktionsmasse (1, 2) mit den beweglichen Antriebselementen und der Reaktionsmasse (3, 4) vollkommen in der Bewegungsrichtung der Linearantriebe, hier im Bild in der horizontalen Ebene (x, y), zugelassen.
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Im reibungsfreien Fall bewegen sich Aktions- (1, 2) und Reaktionsmasse (3,4) auf einer Streckenlänge reziprok zum Masseverhältnis zwischen diesen. Bewegt sich der bewegliche Antriebsteil (1) z. B. 11 cm gegenüber dem statischen Antriebsteil (3) und ist das Verhältnis Aktionsmasse zu Reaktionsmasse 1:10, so bewegt sich der bewegliche Antriebsteil (1) um 10 cm gegenüber dem Trägersystem (5) in eine Richtung und der statische Antriebsteil (3) um 1 cm in die entgegengesetzte Richtung.
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Alternativ sind auch andere Masseverhältnisse denkbar (bis zu einer Abweichung von 50%), z. B. 1:2, 1:3, 1:5, 1:10, 1:20 oder 1:50.
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In der Realität sind auch die horizontalen Bewegungsrichtungen irgendwo durch einen (End)anschlag oder eine physikalische Grenze beschränkt. Innerhalb einer gewissen Ausdehnung der horizontalen Ebene (x, y) ist jedoch eine freie Bewegung möglich. Die Größe dieser Fläche soll so gewählt werden, dass sie den jeweiligen Anforderungen entspricht, abgestimmt auf das Masseverhältnis. Je größer die Reaktionsmasse (3, 4) im Verhältnis zur Aktionsmasse (1, 2) ist, desto kleiner kann die Ausdehnung der Fläche sein, für gleichen Hub/Streckenänderung der beweglichen Antriebsteile (1).
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Die Ausdehnung kann z. B. bis zum 10, 20 oder 50-fachen der Ausdehnung der Nutzlast reichen. Für die Nutzung eines 3D-Druckverfahren könnte diese Fläche, in der sich z.B. der Druckkopf bewegt, bis zu 50-fach größer als der Bewegungsbereich der Reaktionsmasse sein.
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Durch das definierte Masseverhältnis vollzieht die Reaktionsmasse (3, 4) eine bestimmte gerichtete Bewegung. Diese Bewegung ist vorhersagbar (Soll-Wert), da bekannt ist, wie die Antriebsteile (1) angesteuert und daher wie sie auslenken werden. Ein Sensorsystem (7) kann ermitteln, wie die Bewegungen in der Praxis (Ist-Wert) verlaufen. Eine mögliche Differenz entsteht durch Restreibungs- und Fremdeinwirkungskräften auf die Reaktionsmasse (3, 4).
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Ein weiterer Aspekt bezieht sich auf die gewollte und aktiv nachgeregelte Positionierung der Reaktionsmasse (3, 4), bzw. der Trägheitsmasse (4). Falls eine Differenz zwischen Soll- und Ist-Bewegung bzw. Position auftritt, so kann mittels eines Ausgleichsaktors (8) die Ist-Position auf die Soll-Position aktiv korrigierend nachgeregelt werden.
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Dies kann mit einer Regeleinheit geschehen, die den notwendigen Ausgleich von Restreibungs- und Fremdeinwirkungskräften auf die Reaktionsmasse (3, 4) bestimmt und/ oder berechnet. Wenigstens ein auf die Reaktionsmasse (3, 4) einwirkender Ausgleichsaktor (8), verschiebt die Reaktionsmasse (3, 4) in der horizontalen Ebene entsprechend. Dies kann insbesondere berührungslos geschehen. Dieser Ausgleichsaktor (8) kann z. B. elektrodynamisch oder auch pneumatisch oder magnetisch funktionieren.
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Ein weiterer Aspekt bezieht sich auf die vorgesteuerte Kompensation der Bewegung der Reaktionsmassen (3, 4) im Fahrprofil der beweglichen Linearantriebe.
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Zur Veranschaulichung oder einfacheren Berechnung der Positionen und Bewegungen können gedanklich zwei Koordinatensysteme aufgespannt werden:
- Ein erstens, absolutes Koordinatensystem zur genauen Positionierung befindet sich zwischen den beweglichen Linearantrieben (1) und dem Trägersystem (5). Ein zweites, relatives Koordinatensystem wird zwischen den beweglichen Linearantrieben (1) und der Reaktionsmasse (3, 4) eingeführt. Durch die gewollt zugelassene Bewegung der Reaktionsmasse (3, 4) entsteht eine bekannte Differenz zwischen absolutem und relativem Koordinatensystem.
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Im Falle eines 3D-Druckverfahrens, würde das Werkstück auf dem Trägersystem (5) positioniert sein, das Werkzeug mit der Nutzlast (2) identisch oder verbunden sein.
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Für eine genaue Positionierung der Nutzlast (2) bzw. des Werkzeugs und/oder Trägersystems (5) bzw. Werkzeugs durch die beweglichen Linearantriebe, wird modellbasiert aufgrund von Restreibungskräften eine entstehende Differenz zwischen den beiden Koordinatensystemen vorausberechnet und im Vorfeld im Fahrprofil im Sinne einer Vorsteuerung berücksichtigt. Eine Rückführung des Soll-Ist-Vergleichs erlaubt ein adaptives Störgrößenmodell zum Beispiel in Form eines Kalman-Filters. Auf dieser Basis wird die Lage der Nutzlast präzise zum Trägersystem geregelt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Bewegliches Antriebsteil
- 2
- Nutzlast
- 1, 2
- Aktionsmasse
- 3
- Starres Antriebsteil
- 4
- Trägheitsmasse
- 3, 4
- Reaktionsmasse
- 5
- Trägersystem
- 6
- Vorrichtungen
- 7
- Sensorsystem
- 8
- Ausgleichsaktor
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19810996 A1 [0004, 0026]
- DE 10117460 A1 [0004, 0026]
