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Zweikoordinatenschrittmotor
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Die Erfindung betrifft einen Zweikoordinatenschrittmotor, insbesondere
für schnelle und genaue Positionierung räumlocher und flächenhafter Objekte in der
Geräte- und Automatisierungstechnik für die Ortsstrukturerkennung bzw. -axexänderung.
Diese Antriebe sind für den Anschluß an digitale Signale erzeugende elektronische
Einrichtungen besonders gc-.
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eignet.
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Es ist bekannt, daß Zweikoordinatenbewegungseinrichtungen mit Kreuztischen
und verschiedenen Antrioben, uch untt schluß von Bewegungswandlern existieren. Außerdem
wird in nei DD-PS 129948 und in weiteren US-Patentschriften (z. B. Nummer 3720056,
Nr. 3735231) von Zweikoordinatenschrittantrieben berichtet, die jedoch alle den
Nachteil relativ geringer Antriebskräfte bei kleinen Schrittweiten aufweisen. Nach
WP 11 02 / 216 266 wurde bereits vorgeschlagen, daß eine Anordnung ealisierbar ist,
bei der in jeder Bewegungskoordinate (x, y) des Zweikoordinatenschrittmotors mindestens
zwei entgegengesetzt polarisierte Dauermagnete auf einer ferromagnetischen Grundplatte
und jeweils darüber ein ferromagnetisches Rückschlußteil angerodnet ist, daß sich
in dem Luftspalt zwischen Dau2 magneten und Rückschlußteil für jede Bewegungskorrdinate
(y, y) mindestens eine rechteckige Spule mit weit über nie Magnetpoltreite
(bM
) ragenden Spulenköpfen der minimalen Länge (1s Min 1) in einem als Tischplatte
ausgebildeten Teil mit den kraftwirksamen Spluensträngen der Tischmitte zugewandt
befin.
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den oder daß in jeder Koordinatenrichtung (x, y) mindestens ein Gleichstrommagnet,
bestehend aus Spule und Kern auf einer nichtmagnetisierbaren Grundplatte angeordnet
ist, wobei sich in den Luftspalten der Gleichstrommagneten eine in einer beweglichen
Tischplatte befestigte rechteckige Spule der minimalen äußeren Kantenlänge (lSä
1) zu befindet.
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Bei nichtquadratischen Verfahrflächen und geringen zur VerfUg.urtg
5 Leijenden Bauräumen ergeben sicn für die permanentmagnetischen Anorinungen zu
große Abmessungen für ausreichende Drehmomentenkompensation und für die Gleic14strommagnetanordnungen
bei großen zu erzeugenden Kräften für eine gute Dynamik zu große Erwärmungen in
der Untersuehungsebene und zu große Positionierzeiten aurch die großen Induktivitäten
der Gleichstrommagnetspulen.
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Ziel der Erfindung ist es, einen Zweikoordinatenschrittmotor zu schaffen,
mit dem sich drehmomentenfreie, drehmomentenkompensierbare oder Drchmomente erzeugende
Kräfte an einer Tischplatte auch für kleinste Schrittweiten unter 1/um realisieren
lassen, der sich durch geringe Masse und große Kräfte, geringe Erwärmung in der
Untersuchungsebene, kurze Positionierzeiten und einen geringen Herstellungsaufwand
auszeichnet.
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Die Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Zweikoordinantenschrittmotor
zu schaffen, der ein günstiges dynamisches und thermisches Verhalten bei geringem
Regelungs- und Steuerungeaufwand besitzt und auch kleinste Schrittweiten bis unter
1/um ermöglicht.
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Die Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst, daß für die Kraft erzeugung
in einer der beiden Koordinatenrichtungen zwei entgegengenetzt podarieierte Dauermagnete
in einer Ri@@@@ @@@@ für die Bewegung in der anderen Koordinate mindestens zwei
Gleichstrommagnete in zwei parallelen Kraftwirkungsliuien angeordnet -sind und daß
eine äußere Spule in den Luftspalten der Dauermagneten und um die Dauermagnete herum
geführt ist sowie eine innere Spule in den Luft spalten der Dauermagneten und der
Gleichstrommagneten geführt ist, wobei die beiden Spulen in bekannter Weise mechanisch
verbunden und in einer Tiscflplatte angeordnet sind und entsprechend der Bewegungsaufgabe
und der Spulenquerschnitte bestromt sind.
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Für die Verkürzung der Positionierzeiten durch schnellere Stuomwendung
in den Spulen und für die Verringerung der ErWtirluunü4 im Objektträgerbereich werden
für die Krafterzeugung der zweiter Koordinate mindestens zwei Dauermagnete gleicher
Polarität oder mindestens zwei entgegengesetzt polarisierte Paare von Dauermagneten
in zwei parallelen Kraftwirkungslinien angeordnet und in den Luft spalten dieser
Dauermagneten werden mindestens dlei.
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Spulen geführt, die mechanische miteinander und der vierten äußeren
Spule verbunden und in einer Tischplatte so befestigt sind, daß die äußere Spule
um die in parallelen Kraftwirkungslinien angeordneten Dauermagnete herum und durch
die Luit1spa:L-ten der in Reihe angeordneten entgegengesetzt polarisierten Dauermagneten
geführt sind.
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Für eine Minimierung des Spulen-, Steuerungs- und Regelungsaufwandes
und Gewährleistung einer drehmomentenfsei.en Zwe. koordinatenbewegung sind für jede
Koordinate zwei entgegengesetzt polarisierte Darermagnete mit den Polflächenabmessungen
der minimalen Länge 1M min gleich der Größe des Verfahiweges J zuzüglich der Spulenstrangbreite
bsb der jeweiligen Spule (1M min = 5V + bSB) und der minimalen Breite bM min gleich
der zugeordneten Spulenstrangbreite b5 und dem zu dieser ixootdi.-nate senkrechten
Verfahrweg SV sowie einem Zuschlag für die
breite bMA des Induktionsabfalls
am Rande des Magneten (bM min = bs + SV + bMA) in einer Reihe, aber für gleiche
Magnethöhen in der Höhe um mindestens die Spulenstrangdicke ds versetzt angeordnet
und in deren Luftspalten sind zwei unter 90° mechanisch übereinander verbundene
und in einer tischplatte befestigte Spulen geführt.
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Die Erfindung ist im folgenden anhand von Ausführungbsbeispielen näher
erläuterte In der beiliegenden Zeichnung wird gezeidgt: Fig. 1: Zweikoordinatenschrittmotor
im Schnitt AA mit zwei mechanisch in einer beweglichen Tischplatte befestigten Spulen
und Dauermagneten für eino Koordinate und Gleichstrommagneten in zwei parallelen
Ktaftwirkungslinien für die andere Koordinate Fig. 2: Schnitt BB zu Fig. 1 Fig.
3: Zweikoordinatenschrittmotor im Schnitt AA mit vier mechanisch in einer beweglichen
Tischplatte befestigten Spulen und Dauermagneten in einer Kraftwirkungslinie für
eine Koordinate und Dauermagnete in zwei paparallelen Kraftwirkungslinien für die
andere Koordinate Fig. 4: Schnitt BB zu Fig. 3 Fiel. 5: Zweikoordinatenschrittmotor
im Schnitt AA mit zwei gekreuzten, in einer beweglichen Tischplatte befestiglen
Spulen und überbreiten Dauermagneten Fig. : Schnitt BB zu Fig. 4
Nach
Fig. 1 und Fig. 2 ist ein Zweikoordinatenschrittmotor dargestellt. Auf einer ferromagnetischen
oder nur teilweise ferromagnetischen Grundplatte 1 sind für die Krafterzeugung in
der x-Koordinatenrichtung zwei entgegengesetzt polarisierte Dauermagnete 2 in einer
Reihe und für die Bewegung in der y-Koordinate vier Gleichstrommagnete 10 in zwei
parallelen Kraftwirkungslinien senkrecüt zu der Dauermagnetreihe angeordnet. In
den Luftspalten zwischen den Dauermagneten 2 und den Rückschlüssen 3 ist eine äußere
Spule 6 geführt, die mindestens im Abstand des halben Bewegungsweges der y-Koordinate
um die gleichstrommagnete 10 herumgeleitet ist. Eine innerhalb der Spule 6 angeordnete
Spule 7, die mit dieser mechanisch verbunden ist, ist in den Luftspalten der Dauermagneten
2 und der Gleichstrommagneten 10 geführt. Die Spulen 6, 7 sind in einer Tischplatte
4 befestigt, die in der Mitte Rasterplatten 12, 13 und eine Objektträgerplatte 9
besitzt und auf vier Gleitfüßen 5 auf Gleitflächen 8 geführt ist. Die Rasterplatten
sind mit Lichtquellen 14 beleuchtet und optoelektronisch mit Foteempfängern 15 abgetastet
und erzeugen inkrementale Ortssignale für einen angeschlossenen Lageregler, der
sie mit den vorhandenen Steuersignalen vergleicht und entsprechend den notwendigen
Bewegungen zum Erreichen der Sollposition die entsprechenden Spulen mit Spannungsquellen
entsprechender Polarität und Impulszeit anschließt. Für die Bewegung der Tischplatte
4 in der x-Koordinate ist nur die spule 6 entsprechend der notwendigen Bewegungsrichtung
über einen Regler an eine Spannungsquelle endtsprechender Polarität angeschlossen.
Für die Bewegung in der y-Koordinate sind beide Spulen 6, 7 entsprechend der notwendigen
Bewegungsrichtung über einen Regler an Spannungsquellen entsprechender aber entgegengesetzter
Polarität angeschlossen. Dabei sind die Gleichetrommagnete 10 so erregt, daß die
Feldrichtung entsprechend der notwendigen Bewegungsrichtung und entsprechend der
vorhandenen Tischposi tion für Drehmomentenfreiheit oder Drehmomentenerzeugung auch
in der Größe richtig vorhanden ist. Bei gleicher Stromstärke aber entgegengesetzter
Stromrichtung in den Spulen 6, 7 gleichen uerschnitts ergibt sich eine Kompensation
der Kräfte in
der x-Koordinate, wenn das Magnetfeld der Dauermagneten
2 auf beide Spulen 6, 7 gleich stark einwirkt. Für eine x-y-Bewegung in der Ebene
werden dann beide Spulen 6, 7 über einen Regler mit spannungen entsprechender Größe
und Polarität versorgt.
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Nach Fi. 3 und Fig. 4 ist ein Zweikoordinatenschrittmotor in veränderter
Ausführung von Fig. 1 und Fig. 2 dargestellt. Zur Verbesserung der Fositioniergeschwindigkeit
und Verminderung der Erwärmung in der Objektträgerebene werden auch für die y-Koordinatenbewegtrng
Dauermagnete 2, und zwar mindestens zwei Dauermagnetpaare 2 entgegengesetzter Polarität
in parallelen Kraftwirkungslinien angeordnet, über denen Rückschlußstücke 3 vorhanden
sind. In den Luftspalten der Dauermagneten 2 sind jeweils zwei Spulen 6, 7 oder
7, 18 vorzugsweise gleichen Querschnitts geführt. Für die y-Koordinatenbewegung
ist für jodos Dauermagnetpaar 2 jeweils eine Spule 18 zur Drehmomentenkompensation
oder -erzeugung oder zur Kraftverstärkung vothenden. Bei der X-Koordinatenbewegung
sind beide Spulen 6,7 gleich bestromt, jedoch müssen die Spulen 18 entgegengesetzte
Stromrichtungen zu Spule 7 führen und bei Drehmomentenkompensation oder zur Drehmomentenerzeugung
ist die Stromstärke der Spule 7 zu reduzieren, damit eine Überkompensation möglich
wird. Für die y-Koordinatenbewegung sind die Spulen 6, 7 von Strömen entgegengesetzter
Richtung durchflossen, damit sich die Kräfte in x-Richtung aufheben. Die Spulen
18 sind so bestroms, daß die Kraftwirkung in y-Richtung drehmomentenfrei verstärkt
wird oder das entstehende Drehmoment verstärkt wird.
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Die Stromstarke aller Spulen 6, 7, 18 und die Richtung der ..)I;öme
.ist entsprechend der vorhandenen Bewegungsaufgabe und den vorhandenen Ortssignalen
des Meßsystems durch einen Lageregler sctsr. neirnell einstellbar, da die Spulen
6, 7, 18 eisenfrei und induktivitatsarm sind.
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Fig. 5 und Fig. 6 zeigen einen Zweikoordinatenschrittmotor, bei dem
für die Verringerung des Spulen und Regelungsaufwandes nur zwei Spulen 6, 7 übereinander
in den Luftspalten von je zwei überbreiten entgegengesetzt polarisierten Dauermagneten
2 und
den Rückschlußstücken 3 für jede Koordinate in einer Reihe,
aber für gleiche Magnethöhen in der Höhe um mindestens die Spulenstrangdicke d5
versetzt angeordnet geführt sind wobei die spulen 6, 7 in bekannter Weise mechanisch
unter 90° verbunden und in einer Tischplatte 21 angeordnet sind. In de Tischplatte
21 sind auch die Maßverkörperungen des Meßsystens 12, 13 und die Objektträgerplatte
20 angeordnet. Die Polflächen der überbreiten Dauermagneten besitzen die Abmessungen
der minimalen Länge 1M min gleich dem Verfahrweg SV zuzüglich der Spulenstrangbreite
bSb der jeweiligen Spule 6, 7 (1M min = SV + b@h und der minimalen Breite bM min
gleich der zugeordneten Spulenstrangbreite bS und dem zu dieser Koordinate senkrecaten
Verfahrweg 5V sowie einem Zuschlag für die Breite bei des induktionsabfalles am
Rande des Dauermangeten 2 (bM nin= Für die Bewegung in den einelnen Koordinatenrichtungen
ist jeweils eine Spule 6 oder 7 in entsprechender Richtung bestromt und für die
Bewegung in der Ebene beide in entsprechender Größe bzw. mit entsprechendem Impulsverhältnis
je nach der vorhandenen Lage der Tischplatte 21 und der vorliegenden Bewegungsaufgabe
über den Regler an Spannungsquellen entspreeserde Größe und Polarität angeschlossen.
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