DE2232334B2 - Einstellvorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Einstellen eines in mindestens einer Richtung über eine Grundplatte bewegbaren Kopfes gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Eine derartige Einstellvorrichtung ist aus der DE-OS 19 08 850 bekannt, in der eine Grundplatte der genannten Art als Ständer für mit dem zu bewegenden Kcpf fest verbundene Linearmotoren ausgenutzt wird; zeitlich entsprechend der periodischen Magnetstruktur der Grundplatte versetzte impulse werden von außen den verschiedenen Erregerspulen der Linearmotoren zur Bewegung des Kopfes zugeführt

Andererseits ist aus der US-PS 29 05 874 bekannt, eine Grunplatte der genannten Art relativ zu Meßgliedern zu bewegen und die periodische Magnetstruktur der Grundplatte dazu zu benutzen, um in den Meßgliedern während der Bewegung der Grundplatte Signalspannungen, insbesondere zeitlich gegeneinander versetzte Signalspannungen zu induzieren, die mit vorgegebenen Befehlsspannungen verglichen werden und die Erregung zum Antrieb für die eine Verstellung der Grundplatte bewirkenden Motoren liefern. Eine ähnliche Anordnung ist auch aus der US-PS 29 47 929 bekannt

Es ist auch bereits vorgeschlagen worden, Linearmotoren uad zugehörige Meßglieder fest mit ein und demselben Kopf zu verbinden und die von den Meßgliedern gelieferten Signalspannungcn nach entsprechender Verstärkung zum Antrieb der Linearmotoren auszunutzen. Die hierdurch bewirkte Selbstkommutierung hat zwar den großen Vorteil, daß Erregerspannungen und Kopfposition nicht mehr außer Tritt fallen können, aber auch den Nachteil, daß eine vorprogrammierte Kopfbewegung bzw. das automatische Einsteuern des Kopfes in eine vorgegebene Position nicht mehr möglich ist

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher, eine Einstellvorrichtung der letztgenannten Art, nämlich mit selbstkommutierenden Linearmotoren durch einen Servo-Regelkreis so zu erweitern, daß der Kopf vorgegebenen Befehlen automatisch folgt.

Diese Aufgabe wird durch Anspruch 1 gelöst, wobei die Unteransprüche vorteilhafte Weiterbildungen der Lösung angeben.

Als zusätzlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung ergibt sich, daß die von den Meßgliedern gelieferten Signale auch dazu benutzt werden können, um einer unerwünschten Drehung des Kopfes um eine, zur Grundplatte senkrechte Achse entgegsnzuwirken.

Die Erfindung weist bedeutende Vorteile auf: während selbstkommutierende Linearmotoren an sich schon den Vorteil konstanter Antriebsmomente haben, und zwar unabhängig von der Verstellgeschwindigkeit, ergibt sich mit dem Servo-Regelkreis der weitere Vorteil, daß bei großen Abweichungen zwischen Ist- und Soll-Position des Kopfes große Verstellgeschwindigkeiten auf Grund großer Beschleunigungen erzielbar sind, die sich bei Annäherung des Kopfes an seine Soll-Position automatisch verringern. Verstellgeschwindigkeiten von 762 mm/s und Beschleunigungen gleich der Erdbeschleunigung lassen sich ohne weiteres erreichen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt; letztere zeigt in

F i g. 1 den schematischen Grundriß eines Kurvenschreiberkopfes, wie er mit der erfindungsgemäßen Einstellvorrichtung verwendet werden kann,

Fig.2a die schematische Darstellung eines Meßglieds und

F i g. 2b die schematische Darstellung eines Linear-

motors, wie sie beide mit der erfindungsgemäßen Einstellvorrichtung verwendet werden können,

F i g. 3 das grundsätzliche Blockdiagramm der Erfindung,

Fig.4 das vollständige Blockdiagrainm der Erfindung für einen Linearmotor ur.c das zugehörige Meßglied,

Fig.5 das vollständige Blockdiagramm für eine zweiachsige Einstellvorrichtung gemäß der Erfindung,

Fig.6 ein Vektordiagramm zur Verdeutlichung der Schaltung nach F i g. 4.

Vorab wird betont, daß die F i g. 2a und 2b nicht zur eigentlichen Erfindung gehören, sondern nur zu deren besserem Verständnis dienen. Ferner läßt sich leicht einsehen, daß die Erfindung nicht auf ebene Grundplatten mit je einem Magnetraster in Richtung der kartesischen Koordinaten beschränkt ist; beispielsweise kann ein Zylinder mit einem azimutalen und einem axialen Magnetraster als »Grundplatte« dienen, wenn der »Kopf« ein diesen umschließender Hohlzylinder ist

F i g. 1 zeigt in der Draufsicht die grundsätzliche Anordnung: ein Kopf 11 mit den Linearmotoren 20a, 20Zj und 21a, 21 6 für die eine Bewegungsrichtung sowie mit den Linearmotoren 22a, 226 und 23a, 23b für die dazu senkrechte Bewegungsrichtung, ferner mit den Meßgliedern 36 für 20a, 206, 37 für 21a, 2\b, 38 für 22a, 22b und 39 für 23a, 236 schwebt über dem Maschinentisch oder der Grundplatte 15, die ihrerseits aus ferromagnetischem Material besteht und auf ihrer jo Oberfläche in den beiden Richtungen je ein periodisches Magnetraster enthält; dies Magnetraster wird entsprechend F i g. 2a oder 2b aus gleich großen ferromagnetischen Zähnen 26 und unmagnetischen luft- oder kunststoffgefüllten Nuten 15a gebildet. Über eine J5 Rohrleitung 17 werden dem Kopf 11 sowohl die elektrischen Anschlußleitungen als auch Druckluft zugeführt, die den Kopf im Abstand von einigen Hundertsteln Millimetern über der Grundplatte in Schwebe hält. Um von vornherein auf den Kopf 11 einwirkende Drehmomente bezüglich einer auf der Grundplatte senkrecht stehenden Achse möglichst klein zu halten, sind für jede Bewegungsrichtung zwei zum Kopfzentrum spiegelsymmetrisch angeordnete Linearmotoren 20a, 206, 21a, 216, 22a, 226, 23a, 236 vorgesehen.

Jedes Meßglied, z.B. 36, besteht nach Fig.2a aus zwei Magnetkernen 40 und 41, die im Takt einer Hochfrequenzquelle 52 mit etwa 50 kHz über eine Spule 53 und einen weiteren Magnetkern 42 magnetisiert werden. Da die Polschuhe 48, 49, 50 und 51 der Magnetkerne 40 und 41 die gleiche Zahnteilung ρ aufweisen wie die Grundplatte 15 (p ist gleich dem Mittenabstand benachbarter Zähne oder Wüten), da ferner die Zähne von 48 gegenüber 49 und von 50 gegenüber 51 um die halbe Zahnteilung bzw. um ein ungeradzahliges Vielfaches der halben Zahnteilung, die Zähne von 48 gegenüber 50 und von 49 gegenüber 51 jedoch um eine viertel Zahnteilung bzw. um das (4/3+ l)fache einer viertel Zahnteilung (n ist eine ganze Zahl) versetzt sind, läßt sich nachweisen, daß bei einer seitlichen Bewegung des Meßglieds in Fig.2a infolge der sich ändernden magnetischen Widerstände zwischen den Polschuhen und der Grundplatte die in den Wicklungen 60 und 62 induzierten Hochfrequenzspan- b5 nungen amplitudenmoduliert werden und daß die Hüllkurven dieser amplitudenmodulierten Hochfrequenzspannungen zueinander in Quadratur stehen.

Bezeichne also

E_d ■ sin fit ■ sin kx_ä

die Ausgangsspannung der Wicklung 60, wobei Xd die Verschiebung des Meßglieds relativ zur Grundplatte bedeutet und

als Abkürzung eingeführt ist, so laßt sich die Ausgangsspannung der Wicklung 62 in der Form schreiben:

E_d ■ sin i;i ■ cos IcJt₄ . (2)

Ebenso besteht jeder Linearmotor, z. B. 20a, 206, aus den beiden Magnetkernen 20a und 206, die entsprechend den in F i g. 2b eingezeichneten Pfeilen entweder permanent vormagnetisiert oder durch Gleichstrom elektromagnetisch erregt sind. Die Zähne der Polschuhe sind gegeneinander versetzt angeordnet, und zwar a gegen c, a'gegen c' (/gegen 6 und rf'gegen 6'um die halbe Zahnteilung bzw. ein ungeradzahliges Vielfaches der halben Zahnteilung, ferner a gegen d, und a'gegen d' um eine viertel Zahnteilung bzw. um das (4/?+l)fache einer viertel Zahnteilung und cgegen a'und 6 gegen d' ebenfalls um eine halbe Zahnteilung bzw. um ein ungeradzahliges Vielfaches der halben Zahnieilung. Wird also die demodulierte Spannung der Wicklung 60 über einen Leistungsverstärker an die Wicklung 30 gelegt und die Spannung der Wicklung 62 an die Wicklung 31, so wird in der in Fig.2b gezeichneten Stellung für kxd=0 überhaupt kein Antriebsmoment auf den Linearmotor ausgeübt; für kXd=90° verschwindet der Strom in der Wicklung 31, der volle Strom in der Wicklung 30 stärkt beispielsweise den Fluß in den Zähnen a und a'und bewegt den Linearmotor um p/4 nach links; für kx_d= 180° hat der Strom in der Wicklung 31 sein negatives Maximum, und der Wicklungssinn von 31 muß so sein, daß der Fluß in den Zähnen 6 und b' größer ist als in d und d\ damit ein weiterer Vorschub um p/4 nach links erfolgt.

Im Grundschema Fig. 3 der erfindungsgemäßen Einstellvorrichtung werden die von einem Meßglied, z. B. 36, gelieferten Zweiphasenspannungen in den Leistungsverstärkern 18 und 19 verstärkt und an den Linearmotor 20a, 206 zurückgeführt. Diesem selbstkommutierenden Linearmotor wird von einer Steuereinrichtung 16 die Sollkoordinate in der schematischen Form Ki_c zugeführt, so daß die Zweiphasenspannungen mit Kic multipliziert erscheinen. Ki₀ enthält die Sollkoordinate Λ-fin einer geeigneten Form und muß erfindungsgemäß identisch verschwinden, wenn x<i=Xc wird.

F i g. 4 zeigt hierfür ein Ausführungsbeispiel, wobei wiederum nur eine Koordinate, z. B. Meßglied 36 und Motor 20a, 206 betrachtet wird. Die vom Meßglied 36 gelieferten amplitudenmodulierten Hochfrequenzspannungen werden in den Demodulatoren 65 und 66 demoduliert und einem Fehlwinkeldetektor 72 eingegeben. Die Soll-Koordinate x_c wird über den Sollwertgeber 75 ebenfalls in der Zweiphasenform

A ■ sin k x_r

A ■ cos kx_r

mit einer willkürlichen Konstanten A ausgegeben und auch in den Fehlwinkeldetektor eingespeist. Letzterer enthält zwei Multiplizierglieder 70 und 71. in denen

jeweils diejenigen vom Meßglied und vom Sollwertgeber kommenden Spannungen miteinander multipliziert werden, die zueinander in Quadratur stehen. Werden die so entstehenden Produkte

■j B ■ sin kx_c ■ cos kxd

B ■ cos kx_c -sin kxd

mit der willkürlichen Konstanten Sin einem Subtrahierglied 78 voneinander subtrahiert, so entsteht am Ausgang von 78 nach den bekannten Additionstheoremen

B ■ sin A(.v, - χ,;). (5)

F i g. 6 veranschaulicht noch einmal diesen Winkelzusammenhang.

Der Ausgang des Subtrahicrgliedes 78 wird einer Kompensationsschaltung 80 eingegeben, die die bei geschlossenen Servosystemen übliche Form haben und aus einem Tiefpaß, einem Integrierglied, einer Abtast- und Halte-Schaltung oder aus Kombinationen hiervon bestehen kann. Nach nochmaliger Verstärkung in 83 und gegebenenfalls Umformung im Beschleunigungsglied 81 werden die vom Meßglied kommenden >> demodulierten Zweiphasenspannungen in den Multipliziergliedern 84 und 85 mit dem Fehlersignal nach Gleichung (5) multipliziert und in den Leistungsverstärkern 90 und 91 verstärkt, so daß dem Linearmotor 20a, 2Oi) die Zweiphasenspannungen

Γ · sin Ax₁, ■ sin k(x,. — .v,,) (6)

Γ ■ cos Ax₁, ■ sin A(x₍. — χ 4) (7)

ill

J

mit der willkürlichen Konstanten C zugeführt werden. Ersichtlich ist die Erregung und damit die Beschleunigung und Einstellgeschwindigkeit des Linearmotors für große Differenzen x_c—x<j groß, wird mit wachsender Annäherung der Ist-Koordinate Xd an die SoII-Koordinate x_c kleiner und verschwindet in der Sollposition.

F i g. 5 zeigt eine Ausführungsform der vollständigen zweiachsigen Einstellvorrichtung ; hierbei sind unter der Bezugsziffer 14 sämtliche Meßglieder und unter der Bezugsziffer 12 sämtliche Linearmotoren zusammengefaßt. Entsprechend Fig. 1 sind 14 und 12 fest auf dem Kopf 11 montiert. Wie in F i g. 1 gezeichnet, sind für jede Koordinate zwei Meßgliedesr 36, 37 bzw. 38, 39 vorgesehen, die gemeinsam von der Hochfrequenzquelle 52 z. B. über die Spulen 50a und 506 magnetisiert werden. Die gleichphasigen Generatoren je zweier Meßglieder einer Richtung, also 40a und 40b oder 41a and 416 für die x- Richtung sind spiegelsymmetrisch zum Kopfmittelpunkt angeordnet, ihre Wicklungen 60a und 606 bzw. 62a und 626 sind in Reihe geschaltet und an die Verstärker 102a bzw. 103a angeschlossen, die den arithmetischen Mittelwert aus den in 60a und 606 bzw. 62a und 626 erzeugten Signalen bilden. Auf diese Art werden Fehler eliminiert, die aus einer eventuellen Kopfrotation resultieren. Die Ausgänge der Verstärker 102a, b und 103a, b werden den Demodulatoren 65a, b und 66a, b zugeführt, und die demodulierten Zweiphasenspannungen jeder Koordinate werden in die Fehlwinkeldetektoren 72a und 726 eingespeist, die wie die nachfolgenden Kompensationsschaltungen 80a und 806, Verstärker 83a und 83Zj, Multiplizierglieder 84a, 85a und 846, 856 sowie Leistungsverstärker 90a, 91a und 906, 916 ebenso aufgebaut sind wie die Schaltungselemente gleicher Bezugsziffer in Fig.4. Zwischen die Ausgänge der Multiplizierglieder 84a, 6 und 85a, 6 und die Eingänge der Leistungsverstärker 90a, 6 und 91a, 6 sind noch Anpassungsverstärker 110a, 6 und lila. 6 geschaltet. Die Ausgänge der Leistungsverstärker werden zu den zugehörigen Linearmotoren geführt, von denen ebenfalls zwei, z. B. 20a, 206 und 21a, 216 für jede Richtung vorgesehen sind und bei denen die Magnetkörper gleicher Phase 20a, 21a bzw. 206, 216 spiegelsymmetrisch zur Kopfmitte angeordnet sind. Ihre Erregerspulen 30 bzw. 31 sind ebenfalls in Reihe geschaltet.

Um bei einer eventuellen Rotation des Kopfes ein entsprechendes Gegendrehmoment zu erzeugen, werden nach einem weiteren Erfindungsgedanken die in den Meßgliedwicklungen 60a und 606 bzw. 62a und 626 induzierten Spannungen jeweils in den Differenzverstärkern 120 und 121 subtrahiert. Wie leicht einzusehen, macht sich eine Kopfrotation dadurch bemerkbar, daß im Argument der modulierenden trigonometrischen Funktionen nicht mehr nur Xd auftritt, sondern für die Wicklung 60a z. B. x_d+Ax und für die Wicklung 606 Xd-Δχ. Wie bereits beschrieben, ist dieser Fehler durch die Mittelung in den Verstärkern 102a, 6 und 103a, 6 aus den eigentlichen Meßsignalen eliminiert worden. Die Abweichungen x^+^xund x_d—Ax gelten natürlich nur für die Kopfrotation um eine durch die Kopfmitte gehende Achse; muß damit gerechnet werden, daß sich der Kopf auch um eine ausmittig liegende Achse dreht, so sind die nachfolgend für die x-Richtung beschriebenen Maßnahmen auch auf Meßglieder und Linearmotoren der y-Achse anzuwenden.

Nach der Demodulation der Verstärkerausgänge von 120 und 121 in den Demodulatoren 123 und 124 werden also unter Fortlassung der Konstanten die Signale erhalten:

sinAl.v,,+ Ix) - sin Μ*, - l.v) (8)

cos A (.ν,,+ Ix)-COsA(X,,- Ix) (9)

die sich nach den Additionstheoremen umformen lassen zu:

2 · cos kx_d ■ sin A- I χ

— 2 ■ sin Ax., · sin A Ix.

(10) (H)

Im Multiplizierglied 126 wird das durch Gleichung

(10) repräsentierte Signal mit dem cos-Signal des Meßglieds, d. h. mit dem Ausgang des Demodulators 66a und im Multiplizierglied 127 wird das durch Gleichung

(11) repräsentierte Signal mit dem invertierten sin-Signal des Meßglieds, d.h. mit dem in 130 invertierten Ausgang des Demodulators 65a multipliziert; die entstehenden Produkte werden im Addierglied 135 addiert, so daß an dessen Ausgang entsteht:

2 - cos² kxd ■ sin Mx+2 · sin² kxa

■ sin Mx= 2 · sin Mx

Dies Rotationssignal wird über eine Kompensationsschaltung 140 entweder einer Vergleicherstufe 141 zugeführt, in der es mit einem vorgegebenen Rotationssignal verglichen werden kann, oder, falls kein Rotationssignal vorgegeben ist, wird es als reines Fehlersignal direkt über den Verstärker 142 mit den Ausgängen der Demodulatoren 65a und 66a multipli-

ziert. Die in 145 und 146 mit dem Rotationsfehlersignal multiplizierten Phasenspannungen werden über die Anpassungsverstärker 147 und 148 und die Leistungsverstärker 149 und 150 in die Zusatzwicklungen 32 bzw. 33 der Linearmotoren 20a, 2Oo und 21a, 21 ο eingespeist und erzeugen dort das erforderliche Gegendrehmoment.

Es ist mitunter wünschenswert, daß das Programm einer mit der Einstellvorrichtung durchgeführten

Operation für eine spätere Wiederverwendung gespeichert wird, und es ist bekannt, daß sich die bisher beschriebenen Analogsignale für eine Speicherung schlecht eignen. In diesem Fall kann hinter die Demodulatoren der Meßglieder ohne weiteres ein Analog-Digital-Wandler geschaltet werden, beispielsweise in F i g. 5 99 für die x- und 100 für die y-Achse. Dem Sollwertgeber 75 muß dann ein entsprechender Digital-Analog-Wandler vorgeschaltet werden.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

1 Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Einstellen eines in mindestens einer Richtung über eine Grundplatte bewegbaren Kopfes auf eine vorgegebene Position mit Hilfe von Ist- und Sollpositionssignalen und von einem daraus abgeleiteten Fehlersignal, wobei die Grundplatte eine sich in mindestens einer Richtung erstreckende periodische Magnetstruktur aufweist, die als Ständer für einen mit dem Kopf fest verbundenen und diesen antreibenden zweiphasigen Linearmotors dient und durch die in einem ebenfalls mit dem Kopf fest verbundenen Meßglied bei dessen Bewegung zweiphasige, dem Linearmotor als Erregung zugeführte Signale erzeugt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die vorgegebenen Soll-Positionssignale ebenfalls zweiphasig erzeugt werden, daß jede Phasenspannung der Soll-Positionssignale mit derjenigen Phasenspannung der vom Meßglied (14) erzeugten Signale multipliziert wird, zu der sie in Quadratur steht, und daß mit der Differenz dieser beiden Produkte als Fehlersignal die vom Meßglied (14) erzeugten Signale multipliziert werden, bevor diese über Leistungsverstärker (90, 91) an den Linearmotor (12) zurückgeführt werden.

2. Einstellvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Grundplatte (15) zwei, sich senkrecht zueinander erstreckende Magnetstrukturen und der Kopf (11) für jede Richtung zwei quer zur Richtung versetzte Linearmotoren (20, 21 bzw. jo 22, 23) und zwei Meßglieder (36, 37 bzw. 38, 39) aufweist, die mit den von ihnen erregten Linearmotoren fluchtend angeordnet sind.

3. Einstellvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die gleichphasigen Wicklungen J5 (60a, 60b bzw. 62a, 62b) der zu einer Richtung gehörigen Meßglieder (36, 37 bzw. 38, 39) und die gleichphasigen Erregerspulen (30 bzw. 31) der zu einer Richtung gehörigen Linearmotoren (20, 21 bzw. 22,23) in Reihe geschaltet sind.

4. Einstellvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß aus den gleichphasigen Signalen zweier zu einer Richtung gehöriger Meßglieder (36, 37) ein weiteres Fehlersignal gebildet wird, das einer Drehung des Kopfes (11) um eine auf der Grundplatte (15) senkrechte Achse entgegenwirkt.

5. Einstellvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung des weiteren Fehlersignals die Signale gleichphasiger Wicklungen (60a, 60Z) bzw. 62a, 624^ in einem Differenzverstärker to (123 bzw. 124) voneinander subtrahiert werden, daß jedes der gleichphasigen Differenzsignale mit demjenigen Signal der Meßglieder (36, 37) gegebenenfalls nach Inversion multipliziert wird, zu dem es in Quadratur steht, und daß die Produkte anschlie- κ Bend addiert werden.

6. Einstellvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß jede Phase der von den beiden Meßgliedern (36, 37) erzeugten Signale mit dem weiteren Fehlersignal multipliziert wird und daß die bo Produkte so in Zusatzwicklungen (32, 33) der Linearmotoren (20, 21) eingespeist werden, daß ein gegenläufiges Drehmoment entsteht.