DE3003486C2

DE3003486C2 - Positioniereinrichtung

Info

Publication number: DE3003486C2
Application number: DE3003486A
Authority: DE
Inventors: Shigeo Hachioji Tokyo Moriyama
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1979-02-07
Filing date: 1980-01-31
Publication date: 1982-06-03
Also published as: FR2448745B1; NL8000212A; FR2448745A1; US4282469A; JPS55105705A; JPS5847043B2; GB2041582A; DE3003486A1; GB2041582B

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Positioniereinrichtung zum Positionieren eines Gegenstandes, beispielsweise eines Schlittens, in einer genau vorgegebenen Zielposition unter Verwendung eines über einen Steuer- oder Regelkreis mittels einer Steuerschaltung gesteuerten Stellmotors, dessen Drehgeschwindigkeit bei der Annäherung an die Zielposition in etwa entsprechend einer linearen Funktion reduzierbar ist.

In vielen Anwendungsfällen, beispielsweise bei der Herstellung integrierter Halbleiterschaltkreise, ist es notwendig, einen in zwei Achsen verschiebbaren Tisch innerhalb eines Bewegungsbereichs von 150 mm mit einer Genauigkeit von 1 μ auf eine vorgegebene Position zu fahren. Um eine derartige Positionsgenauigkeit zu erreichen, ist es notwendig, mit Steuer- oder Regelkreisen zu arbeiten, wobei die jeweilige Positionsbestimmung des verschiebbaren Tisches beispielsweise mit Hilfe eines Laserinterferometers bestimmt wird. Damit die gewünschte Zielposition genau angefahren wird, ist es beispielsweise aufgrund der US-PS 33 20 502 bekannt, innerhalb des Steuer- bzw. Regelkreises eine Steuerschaltung vorzusehen, mit welcher der Verstärkungsfaktor der Steuerschleife entsprechend dem festgestellten Fehlersignal beeinflußt wird. Die Beeinflussung des Verstärkungsfaktors erfolgt dabei in der Regel derart, daß das von dem Servomotor abgegebene Drehmoment mit Annäherung an den gewünschten Zielpunkt linear abnimmt.

Die bisher bekannten Positioniereinrichtungen dieser Art haben jedoch den Nachteil, daß bei einer festgestellten Ausgangsposition, welche nur sehr geringfügig von der gewünschten Zielposition entfernt ist, das entsprechend der linearen Abhängigkeitsfunktion von dem Servomotor abgegebene Drehmoment so ίο gering sein kann, daß es zur Überwindung der vorhandenen Haftreibung nicht ausreicht, so daß die gewünschte Zielposition nicht angefahren wird, obwohl mit Hilfe der vorhandenen Meßeinrichtungen festgestellt worden ist, daß die gewünschte Zielposition noch nicht erreicht wurde. Dadurch ergibt sich ein gewisser Positionierungsfehler, welcher in vielen Fällen ungewünscht sein mag. Durch Versehen einer größeren Übersetzung im Bereich des Stellmotors kann zwar dieser Positionierungsfehler kleiner gemacht werden, jedoch wird dadurch die Arbeitsgeschwindigkeit zum Aussuchen einer gewünschten Zielposition nur nachteilig beeinflußt.

Es ist demzufolge Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Positionierungseinrichtung zu schaffen, welche auch bei Vorhandensein einer ungewünschten Haftreibung ein sehr genaues Anfahren einer Zielposition erlaubt.

Erfindungsgernäß wird dies dadurch erreicht, daß die Steuerschaltung des Steuer- oder Regelkreises mit einem Schaltkreis verbunden ist, welcher bei Stillstand des Stellmotors und verbleibenden sehr geringen Abweichungen von der gewünschten Zielposition im Hinblick auf die Überwindung der auftretenden Haftreibung den Verstärkungsfaktor des Steuer- oder Regelkreises wahrend eines kurzzeitigen Anlaufintervalls erhöht.

In diesem Zusammenhang sei erwähnt, daß es aufgrund eines Artikels in dem Industrieanzeiger 97. Jahrgang, Nr. 52, Seiten 3117 — 21 eine Einrichtung bereits bekannt ist, bei welcher die Reiblast für die Verstärkungseinstellung von Lagereglern berücksichtigt wird.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich anhand der Unteransprüche 2 bis 4.
Die Erfindung soll nunmehr anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert und beschrieben werden, wobei auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen ist. Es zeigt

F i g. 1 eine graphische Darstellung zur Erläuterung der Wirkungsweise einer mit einem geschlossenen Regelkreis versehenen Positioniereinrichtung,

F i g. 2 ein Blockdiagramm einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Positioniereinrichtung,

F i g. 3 ein Schaltdiagramm der in F i g. 2 gezeigten Steuerschaltung,

F i g. 4 eine graphische Darstellung zur Veranschaulichung einer Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Positioniereinrichtung und

F i g. 5 ein Bäockdiagramm einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.

Gemäß F i g. 1 ist bei einer linear arbeitenden Positioniereinrichtung in Form eines geschlossenen Regelkreises das; Ausgangsdrehmoment Tm des Servomotors um so kleiner, je kleiner die Abweichung Ax des bewegbaren Tisches von der gewünschten Position ist. Wenn in der Führungseinrichtung für den bewegbaren Tisch und bei der Vorschubgewindespindel Reibung auftritt, ist somit ein Bereich vorhanden, innerhalb

dessen keine Steuerung mehr möglich ist Wird die Reibungskraft gemäß Fig. 1 in das Drehmoment Td der Motorwelle umgewandelt, ist eine Steuerung innerhalb eines Abstandes von ±6d vom Positionierziel nicht möglich, wenn der Positions-Rückkopplungsverstärkungsfaktor den Wert K 1 hat, so daß ein Positionierfehler verbleibt. Wird der Wert des Positions-Rückkopplungsverstärkungsfaktors z. B. auf K 2 erhöht, um diesen Positionierfehler zu verkleinern, wird die Steuereinrichtung unstabil, so daß Pendel- oder Schwir.gungserscheinungen auftreten. Daher läßt sich der Positions-Rückkopplungsverstärkungsfaktcr nicht über einen bestimmten Grenzwert hinaus erhöhen. Zwar steht ein anderes Verfahren zur Verfügung, das es ermöglicht, das äquivalente Drehmoment Td der Reibungskraft auf ein Minimum zu verringern, bzw. bei dem zwischen der Motorwelle und der Vorschubgewindespindel ein Unterselzungszahnradgetriebe angeordnet ist, doch verringert sich bei der Anwendung dieses Verfahrens die anderenfalls erzielbare hohe Arbeltsgeschwindigkeit

Wie erwähnt, ist der Positionierfehler proportional zur Größe der Reibungskraft, die durch die Führungseinrichtung des bewegbaren Tisches und die Reibung der Vorschubgewindespindel hervorgerufen wird. Im allgemeinen richtet sich die Größe der Reibungskraft nach der jeweiligen Bewegungsgeschwindigkeit, und der statische Reibungskoeffizient kann einen Wert erreichen, der zwischen dem 2fachen und dem 5fachen des kinetischen Reibungskoeffizienten liegt. Wenn gemäß F i g. 1 der statische Reibungskoeffizient, der durch die Welle des Servomotors auf äquivalente Weise umgewandelt wird, mit Ts gegeben ist, ist es dem Servomotor innerhalb des Bereichs von ±ös nicht möglich, eine Drehbewegung zu erzeugen, wenn der Positions-Rückkopplungsverstärkungsfaktor den Wert K 1 hat. Mit anderen Worten, wenn die Abweichung Ax kleiner ist als ös, läuft der Servomotor nicht an. Dies läßt erkennen, daß dann, wenn die Vorschubstrecke des bewegbaren Tisches groß ist, die lineare Positionierung unter dem Einfluß der kinetischen Reibung erfolgt, so daß eine genaue Positionierung in einem Abstand von ± ös vom gewünschten Positionierungsziel möglich ist, während dann, wenn die Vorschubstrecke des Tisches kleiner ist als ös, keine Positionierung eingeleitet wird, so daß die Vorschubstrecke als solche als Positionierfehler erscheint.

Gemäß der Erfindung ist die Positioniervorrichtung so ausgebildet, daß sie, wenn die Vorschubstrecke innerhalb von ±<5s liegt, einer Motortreiberschaltung ein Signal zuführt, das es dem Servomotor ermöglicht, anzulaufen, oder ein Signal, das es dem Motor ermöglicht, ein Drehmoment zu erzeugen, das größer ist als der aus F i g. 1 ersichtliche Wert Ts, um den Motor so zu betätigen, daß ein Übergang von der statischen Reibung zur kinetischen Reibung erfolgt, woraufhin dieses Signal wieder beseitigt wird, damit eine lineare Positionierung durchgeführt wird.

Zu der in F i g. 2 in einem Blockdiagramm dargestellten Ausführungsform der Erfindung gehören ein bewegbarer Tisch 1, der z. B. durch einen Gleichstrom-Servomotor 2 angetrieben wird, sowie eine durch Kugeln geführte Gewindespindel 3. Eine Steuerschaltung 4 berechnet den digitalen Wert der Abweichung zwischen der jeweiligen Stellung des bewegbaren Tisches, die mit Hilfe einer Laser-Interferometer-Meßeinrichtung 5 ermittelt wird, und der durch einen Rechner 6 befohlenen gewünschten Zielposition. Auf der Basis des Ergebnisses dieser Berechnung wird der Gleichstrom-Servomotor 2 jeweils in einer solchen Drehrichtung in Betrieb gesetzt, daß sich das Ergebnis der Berechnung verringert; hierbei wird der Servomotor fiber einen Digital-Analog-Umsetzer 7, einen Operationsverstärker 8 und einen Servoverstärker 9 gesteuert. Zum Stabilisieren dieser linearen Positioniereinrichtung dient ein Tachogenerator 10.

Ferner ist gemäß F i g. 2 eine Schal'ersteuerschaltung 11 vorhanden, die durch das von dem Rechner 6 abgegebene digitale Signal betätigt wird und aus einem monostabilen Multivibrator od. dgl. besteht. F i g. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel für eine solche Steuerschaltung. Wenn der Schaltersteuerschaltung 11 durch den Rechner 6 ein Eingangssignal S zugeführt wird, das vom Wert einer logischen 1 auf den Wert einer logischen 0 übergeht, erscheint am Ausgang (? der Steuerschaltung ein Signal, das den logischen Wert 0 während einer Zeitspanne t_m beibehält, die durch einen Kondensator C und einen Widerstand R bestimmt wird, so daß die Schaltung U einen Analogschalter 12 öffnet, um den Spannungsverstärkungsfaktor des Operationsverstärkers 8 auf einer, nahezu unendlich großen Wert zu steigern. Hat das Eingangssignal Sden logischen Wert 1, bleibt das am Ausgang Q anstehende Signal mit dem Wert 1 erhalten, so daß der Analogschalter 12 geschlossen bleibt, damit der Operationsverstärker 8 mit einem durch zwei Widerstände 13 und 14 bestimmten Verstärkungsfaktor K₃ arbeitet.

Der Rechner 6 berechnet die Positionsabweichung Ax zwischen der gewünschten Zielposition, in die der bewegbare Tisch 1 gebracht werden soll, und seiner jeweiligen tatsächlichen Stellung, und er vergleicht \Ax\ mit der vorbestimmten Positionsabweichung \ös\, innerhalb welcher der Servomotor 2 aus den weiter oben gennanten Gründen nicht anlaufen kann. Ist \Ax\ > \os\, fühlt der Rechner 6 ein Signal S mit dem logischen Wert 1 der Schaltersteuerschaltung 11 zu, so daß der Analogschalter 12 geschlossen wird, damit der Operationsverstärker 8 mit dem Verstärkungsfaktor K} arbeitet. Dann meldet der Rechner 6 der Steuerschaltung 4 die Zielposition, in die der bewegbare Tisch 1 gebracht werden soll, und er betätigt die lineare Positioniereinrichtung. Der Verstärkungsfaktor /Cj des Operationsverstärkers 8 wird auf den höchsten möglichen Wert innerhalb eines Bereichs eingestellt, innerhalb dessen die lineare Positioniereinrichtung stabil arbeitet, wobei der Gradient der Schaulinie Ki in F i g. 1 möglichst weitgehend vergrößert wird und wobei der Positionierfehler 6d möglichst weitgehend verkleinert wird.

Ist dagegen \Ax\ S |ös|, führt der Rechner 6 ein Signal Smit dem logischen Wert 0 der Schaltersteuerschaltung 11 zu, und nachdem der Verstärkungsfaktor des Operationsverstärkers 8 auf einen nahezu unendlich großen Wert gebracht worden ist, setzt der Rechner die Positioniereinrichtung wieder in der beschriebenen Weise in Betrieb. Auf diese Weise wird dem Servomotor 2 der maximal zulässige Strom in einer solchen Richtung zugeführt, daß sich der bewegbare Tisch der Zielposition nähert und daß mit der Bewegung des Tisches entgegen dem auf die statische Reibung zurückzuführenden Drehmoment begonnen wird. Nach dem Ablauf der Zeitspanne t_m nach Fig. 3 nimmt das Signal am Ausgang Q der Schaltsteuerschaltung 11 wieder den logischen Wert 1 an, so daß der Operationsverstärker 8 wieder mit dem Verstärkungsfaktor /C₃ arbeitet, um so eine stabile lineare Steuerung herbeizuführen. Die

Zeitspanne t„, wird durch die dynamischen Charakteristiken der Positioniervorrichtung in der nachstehend erläuterten Weise bestimmt.

Bei der lineraren Positioniervorrichtung, bei der eine Geschwindigkeitsrückkopplung durch den Tachogenerator 10 herbeigeführt wird, wie es in F i g. 4 gezeigt ist, nähert sich die Geschwindigkeit V des bewegbaren Tisches dem Zielwert, während sie so geregelt wird, daß sie zu der Positionsabweichung As proportional ist. Diese Beziehung entspricht in Fig.4 der Schaulinie VAx. Beginnt dagegen die Inbetriebsetzung bei der genannten Bedingung |dx|<|ös|, d.h. gemäß Fig.4 an dem Punkt P, nähert sich der Servomotor 2 dem Zielwert mit der maximalen Beschleunigungskraft, wie es durch die Schaulinie Vr veranschaulicht ist, und wenn man diese Betriebsweise zuläßt, folgt der Servomotor gemäß F i g. 4 der gestrichelten Linie über die Linie VAx hinaus, so daß der Zielwert überschritten wird und schließlich Schwingungen hervorgerufen werden. Somit läßt sich eine optimale Steuerung erreichen, wenn man die Steuereinrichtung auf eine lineare Steuerung umstellt, sobald die Schaulinie Vr die Linie VAx kreuzt, damit die Steuereinrichtung danach der Schaulinie VAx folgt. Mit anderen Worten, eine einwandfreie Steuerung innerhalb der kürzesten möglichen Zeit läßt sich erreichen, wenn man für die Zeitspanne t_m die Zeitspanne wählt, welche zwischen dem Anlaufen des Servomotors 2 und dem Zeitpunkt abläuft, in dem die Geschwindigkeit des bewegbaren Tisches gemäß F i g. 4 die Schaulinie VAx erreicht. Ist die Zeitspanne t_m festgelegt, kann jedoch eine optimale Steuerung nicht in jedem Fall erreicht werden, da sich die Zeitspanne t_m nach der Größe der Lageabweichung Ax vor der Inbetriebsetzung des Motors richtet Bei der Ausführungsform nach Fig. 2 erfolgt die Einstellung in der Weise, daß eine optimale Steuerung dann verwirklicht wird, wenn Ax=(Os+ 6d)/2. In diesem Fall hat die Zeitspanne t„, eine Länge von etwa 2 ms.

Bei dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel wird bei der Steuerung auf die lineare Steuerung übergegangen, nachdem nach der Inbetriebsetzung des Motors die Zeitspanne t_m verstrichen ist um den Aufbau der Schaltung zu vereinfachen. Wie erwähnt, ergibt sich hierbei jedoch nicht in jedem Fall eine optimale Steuerung.

In F i g. 5 ist eine Ausführungsform dargestellt, bei der die genannten Schwierigkeiten vermieden sind. Anstelle der Schaltersteuerschaltung 11 nach F i g. 4 ist bei der Ausführungsform nach F i g. 5 zusätzlich ein Verstärker 15 vorhanden, der mit dem gleichen Verstärkungsfaktor Ki arbeitet wie der Operationsverstärker 8, wenn der Analogschalter 12 geschlossen ist; zu den weiteren Schaltungselementen gehören ein S/?-K.ippglied 16, eine Komparatorschaltung 17 und eine Absolutwertschaltung 18. In F i g. 5 bezeichnen die Bezugszahlen 1 bis 14 ähnliche Schaltungselemente wie in F i g. 2.

Führt der Rechner6 ein Signal Smit dem Wert ()dein SiZ-Kippglied 16 zu, erscheint an dem Ausgang Q das Signal 0, und der Analogschalter 12 wird geöffnet, so daß der Servomotor 2 mit einer der Schaulinie Vr entsprechenden Drehzahl arbeitet Da der Verstärker 15 mit dem Verstärkungsfaktor Kz arbeitet, gibt er ein Ausgangssignal ab, das gleich dem in F i g. 4 durch die Schaulinie VAx dargestellten Signal ist. Andererseits repräsentiert das Ausgangssigna] des Tachogenerators 10 die Geschwindigkeit V des bewegbaren Tisches 1. Daher ist es möglich, den Zeitpunkt festzustellen, in dem die Geschwindigkeit V des bewegbaren Tisches höher wird, als es der Schaulinie VAx entspricht, indem man die betreffenden Werte mit Hilfe des !Comparators 17 miteinander vergleicht. Mit anderen Worten, wenn der Servomotor in Betrieb gesetzt wird, während die Lageabweichung Ax negativ ist, erreicht das Ausgangssignal des !Comparators 17 den Wert 0 in dem erwähnten Zeitpunkt von -1 und geht dann auf +1 über. Erfolgt die Inbetriebsetzung, wenn die Lageabweichung positiv ist, durchläuft das Ausgangssignal von — 1 aus den Wert 0 und geht dann auf + 1 über. Wenn man das Ausgangssignal durch die Absolutwertschaltung 18 leitet, die aus einem Operationsverstärker od. dgl. besteht, ist es somit möglich, den vorstehend genannten Zeitpunkt als Ausgangssignal 0 ohne Rücksicht auf das Vorzeichen von Ax zu erhalten. Dieses 0-Signal setzt das Kippglied 16 zurück, so daß der Analogschaiter 12 geschlossen wird, um den Übergang auf die lineare Steuerung zu bewirken. Diese Betriebsweise ermöglicht es, die Umstellung auf die lineare Steuerung stets unter optimalen Bedingungen ohne Rücksicht auf die Größe von Ax zu bewirken, so daß die sich bei der Ausführungsform nach F i g. 2 ergebende Schwierigkeit vermieden wird.

Bei beiden vorstehend beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung wird die gestellte Aufgabe durch eine äquivalente Erhöhung des Lagerückkopplungs-Verstärkungsfaktors gelöst. Wenn es nicht erforderlich ist, den Zeitbedarf für die Steuerung zu verringern, ist es auch auf einfachere Weise möglich, den Servomotor mit Hilfe eines konstanten Steuersignals ± Tunter Berücksichtigung des Vorzeichens der Lageabweichung Ax in Betrieb zu setzen. Ferner ist es möglich, die Inbetriebsetzung stets bei einem konstanten Steuersignal + T zu bewirken, wobei das Vorzeichen unberücksichtigt bleibt

Wie erwähnt, ermöglicht es die Erfindung bei einer Positioniervorrichtung für einen Gegenstand, der in eine gewünschte Stellung gebracht werden soll, wobei von einem Servosystem Gebrauch gemacht wird, die Genauigkeit der Positionierung dadurch zu verbessern, daß der Servomotor entsprechend der Lageabweichung gegenüber der gewünschten Lage in Betrieb gesetzt wird, bevor die Steuerung erfolgt, und zwar mit Hilfe eines Steuersignals, das größer ist als ein Steuersignal.

das durch die Positionsrückkopplung gegeben ist, und das bei dem Servosystem stabil sein kann, wenn die Lageabweichung kleiner ist als ein vorbestimmter Wert, woraufhin auf ein Servosystem übergegangen wird, das durch den Positionsrückkopplungs-Verstärkungsfaktor

so betätigt wird. Die Erfindung läßt sich nicht nur bei einer einen geschlossenen Regelkreis bildenden linearen rüsitionierrcrnchtung anwenden, wie sie der vcrste henden Erläuterung von Ausführungsbeispielen zugrundeliegt, sondern auch allgemein bei Positioniervorrichtungen, bei denen ein zu steuernder Gegenstand mit Hilfe eines Servosystems in eine Zielposition gebracht werden soIL Ferner beschränkt sich die Anwendbarkeit der Erfindung nicht auf die Steuerung eines bewegbaren Tisches, und die Erfindung beschränkt sich auch nicht auf die angegebenen Zahlenwerte und den Aufbau der beschriebenen Schaltungen, d. h. es sind Abänderungen zur Anpassung an die jeweiligen Bedingungen möglich-Schließlich ist die Erfindung nicht nur bei Additionskameras und Additrons-Projektions-Dnickeinrichtun- gen anwendbar, .sondern auch bei verschiedenen anderen Einrichtungen, bei denen ein bewegbarer Tisch oder eine Bühne od-dgL mit hoher Genauigkeit positioniert werden muß.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Positioniereinrichtung zum Positionieren eines Gegenstandes, beispielsweise eines Schlittens, in einer genau vorgegebenen Zielposition unter Verwendung eines über einen Steuer- oder Regelkreis mittels einer Steuerschaltung gesteuerten Stellmotors, dessen Drehgeschwindigkeit bei der Annäherung an die Zielposition in etwa entsprechend einer lineraren Funktion reduzierbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerschaltung (4) des Steuer- oder Regelkreises (4, 5, 7, 8, 9, 2) mit einem Schaltkreis (6, 11, 12) verbunden ist, welcher bei Stillstand des Stellmotors (2) und verbleibenden sehr geringen Abweichungen von der gewünschten Zielposition im Hinblick auf die Überwindung der auftretenden Haftreibung den Verstärkungsfaktor des Steuer- oder Regelkreises während eines kurzzeitigen Anlaufintervalls (t_m) erhöht.

2. Positioniereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Anlaufintervall (t_m) so eingestellt ist, daß am Ende desselben die Drehgeschwindigkeit des Stellmotors (2) den durch die lineare Steuercharakteristik (νΔχ) vorgegebenen Wert erreicht (F i g. 4).

3. Positioniereinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Anlaufinlcrvall (t_m) fest vorgegeben ist, während welchem der Verstärkungsfaktor des Steuer- oder Regelkreises (5,4,7,8, 9, 2) durch Signaladdition (8, 14) erhöht wird (F ig. 2).

4. Positioniereinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, da3 der Verstärkungsfaktor während des Anlaufintervalls (t_m)fest vorgegeben ist und daß der Umschaltzeitpunkt am Ende des Anlaufintervall (t_m) durch Signalvergleich (17) feststellbar ist (F ig. 5).