DE3837042A1

DE3837042A1 - Vorrichtung zum positionieren von materialien in einem kraftfeld

Info

Publication number: DE3837042A1
Application number: DE19883837042
Authority: DE
Inventors: Rudolf Grossbach; Ernst-Guenter Dr Lierke
Original assignee: Battelle Institut eV
Current assignee: Battelle Institut eV
Priority date: 1988-10-31
Filing date: 1988-10-31
Publication date: 1990-05-03

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Positio nieren von Materialien in einem Kraftfeld, das auf akustische, elektrische oder dynamische Weise zwischen mindestens zwei Kraft erzeugenden Einheiten aufgebaut wird, wobei die Position der Materialien mittels mindestens einer Lichtquelle und Detektoren erfaßt wird, wobei die von Detektoren erfaßten Ist-Werte an einer Auswerteeinheit weitergeleitet werden, die die Materialien von einer erfaßten Ist-Wertposition in die gewünschte Soll-Wertposition bringt.

Es ist bereits eine Vorrichtung zum Positionieren von Materia lien der eingangs aufgeführten Art allgemein bekannt die Materialien mittels einer Halbleiterkamera detektiert werden, wobei die von der Kamera erfaßten Ist-Werte an eine elektri sche Auswerteeinheit weitergeleitet werden. Die Auswerteein heit ist mit einem Mikroprozessor ausgestattet, der die Ab stände der Elektroden zu der Probe ermittelt und die Ge schwindigkeit der Probe bestimmt und dann entscheidet, welche der vier Elektroden auf Hochspannung geschaltet werden soll, um die Probe in die gewünschte Position zu bringen. Eine derartige Positionsbestimmung erfolgt alle 20 Millisekunden durch eine CCD-Kamera. Dadurch, daß erst nach dem Abtasten eines Halbbildes die Koordinaten bestimmt werden können, gibt es eine Totzeit. Um diese Totzeit einigermaßen auszuregeln, wurde bisher ein Filter nachgeschaltet. Alle diese Maßnahmen ergaben letztlich, daß die Position einer schwingenden Probe nur bis zu einer Frequenz von ca. 5 kHz mit einem Phasen fehler < 20° bestimmt werden konnte. Wird beispielsweise bei einer derartigen Positionsbestimmung der Phasenfehler größer als 20° so wird die Regelung instabil, so daß dann die Probe bzw. das Material nicht mehr in der gewünschten Position gehalten werden kann.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Vorrichtung zum Positionieren von Materialien derart auszu bilden und anzuordnen, daß die Materialpositionen wesent lich schneller erfaßt werden kann, um diese dann in die gewünschte Sollwert-Position zu bringen. Die Verwendung von Foto-empfindlichen Bauelementen vermindert die Totzeiten, da diese Lichtschwankungen in Mikrosekunden erfassen können, um diese über die Auswerteeinrichtung die exakte und sehr schnelle Positionierung des Materials herbeizuführen. Hierzu besteht die elektrische Auswerteeinheit aus einem elektro nischen Baustein, der die unterschiedlichen Helligkeitswerte der Fotodioden erfaßt, um die daraus resultierenden Positions informationen an einen PID-Regler weiterleitet, der den Ist- Wert mit einem Soll-Wert vergleicht und die daraus resultie rende Regelgröße an eine Hochspannungsstufe weitergibt, deren Ausgangssignal an mindestens eine Elektrode weitergegeben wird. Durch die Verwendung des PID-Reglers ist es möglich, den HS-DC/DC-Wandler direkt anzusteuern. Hierzu ist es vorteil haft, daß die Hochspannungsstufe aus einem Hochspannungswand ler und einem Hochvoltverstärker besteht, die über eine erste und zweite Frequenzweiche gekoppelt werden. Die Verwendung der Hochspannungsstufe und der parallel dazu gestaltete Hochvolt verstärker gestattet es, daß der Hochspannungswandler ein langsames, eine hohe Spannung aufweisendes Signal erzeugt und der Hochvoltverstärker ein kleines, aber schnell auf Eingangs änderungen reagierendes Signal erzeugt. Die aus dem Hoch spannungswandler und dem Hochvolt-Verstärker abgegebenen Signale werden über die Frequenzweiche zusammengeführt und dann mindestens an eine Elektrode abgegeben, die dann die Ausrichtung des Materials bewirkt. In vorteilhafter Weise können die Elektroden als Platten, als Kugeln oder als Ringe ausgebildet sein.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorteilhaft, daß zur multiaxialen Positionierung des Materials mindestens zwei elektronische Bausteine und mindestens zwei Detektoren vorgesehen sind.

Ferner ist es möglich, daß dem elektrischen Baustein mindestens vier Hochspannungsstufen nachgeschaltet sind, wobei zwischen den elektrischen Bausteinen und der Hochspannungs stufe ein Prozeßrechner vorgesehen ist, der die Regelgröße aus der sich fortlaufend ändernden Position des Materials erfaßt, und die Hochspannungsstufen ansteuert. Eine derartige Anordnung eignet sich insbesondere zur Positionierung von Materialien, beispielsweise in einem Spacelab.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von einen Ausführungs weg darstellenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung der Vorrichtung zum Positionieren von Materialien in einem Kraftfeld;

Fig. 2 die aus Fotodioden gebildeten Detektoren mit einem elektrischen Baustein;

Fig. 3 eine Anordnung von jeweils vier Elektroden einer multiaxialen Positionierungsvorrichtung;

Fig. 4 bis 6 das Schattenbild des Materials auf den ein zelnen Dioden;

Fig. 7 bis 8 verschiedene Ausführungsformen der Dioden;

Fig. 9 eine schematische Anordnung eines einachsigen Po sitionierers mit den beiden Elektroden und der Probe sowie einer Beleuchtungseinrichtung.

In der Zeichnung ist in Fig. 9 eine Vorrichtung zum Positio nieren von Materialien in einem Kraftfeld dargestellt, das einen Positionssensor 10 aufweist, der gemäß Fig. 4 bis 8 und Fig. 2 aus mindestens vier Foto-empfindlichen Bauelementen bzw. Fotodioden 12 besteht, die die Lage des Schattens des Materials bzw. der Probe 14 registrieren und den aufgrund des Helligkeitswertes erfaßten Ist-Wert dann einen elektronischen Baustein 20 weitergibt, der die unterschiedlichen Helligkeits informationen auswertet und die sich daraus resultierenden X bzw. Y-Positionen an einen PID-Regler (Proportional-Integral- Differential-Regler) weitergibt. Der PID-Regler 22 bildet mit einer Hochspannungsstufe 8 die elektrische Auswerteeinheit 16. Der von dem PID-Regler 22 erfaßte Ist-Wert aus dem elektrischen Baustein 20 wird mit einem Soll-Wert verglichen und die daraus resultierende Regelgröße an die Hochspannungs stufe 8 weitergegeben.

Die Hochspannungsstufe 8 besteht aus einem Hochspannungs wandler 40 und einem Hochvoltverstärker 30, die über eine erste Frequenzweiche 50 und eine zweite Frequenzweiche 52 gekoppelt sind. Der Hochspannungswandler 40 erzeugt ein lang sames, eine hohe Spannung aufweisendes Signal während der Hochvolt-Verstärker 30 ein kleines aber schnelles auf Eingangsänderungen reagierendes Signal erzeugt. Die aus dem Hochspannungswandler 40 und aus dem Hochvoltverstärker 30 aus tretenden Signale werden über die Frequenzweiche 52 zusammen geführt und addiert.

Die Frequenzweiche 50 besteht aus einem Widerstand 54, der an Masse 56 angelegt ist und der über einen Kondensator 58 mit dem PID-Regler 22 und den Hochspannungswandler 40 verbunden ist. Ferner ist die Frequenzweiche an den Hochvoltverstärker 30 angeschlossen. Die Frequenzweiche 52 besteht aus mindestens einem Kondensator 60, dem jedoch auch ein zweiter oder mehrere Kondensatoren 62 nachgeschaltet werden können. Ferner weist die Frequenzweiche 52 mindestens einen Widerstand 64 auf. Wie aus Fig. 1 ferner hervorgeht, sind zwischen den Kondensatoren 60 bzw. 62 und dem Hochvoltverstärker 30 Schutzdioden 68 vorgesehen.

Im Bereich der Detektoren bzw. der Fotodioden 12 befinden sich mindestens zwei Elektroden 2, wobei die eine Elektrode 2 an Masse 56 angelegt sein kann und die andere Elektrode 2 über einen Schutzwiderstand 66 an die Frequenzweiche 52 angeschlossen ist.

Wie aus Fig. 9 hervorgeht, wird die Probe 14 mittels einer Lichtquelle 70 beleuchtet, die in vorteilhafter Weise aus einer Lasereinrichtung bestehen kann. Die Lasereinrichtung weist eine Laserdiode 72, einen Kollimator 74, einen Spiegel 76 auf. Über den Spiegel 76 wird das parallele Lichtbündel 80 auf die Probe 14 geleitet, die einen Schatten 14′ bildet. Der Schatten 14′ wird von den in Fig. 4 bis 8 dargestellten Fotodioden 12 erfaßt und, wie bereits beschrieben, an den elektronischen Baustein über die elektrischen Signale weitergegeben.

In Fig. 3 ist ein multiaxialer Positionierer dargestellt, wobei der rechte Positionierer 90′ um 90° aus der Ebene gezeichnet ist. Die einzelnen Elektroden 2 des Positionierers 90 sind jeweils tetraederförmig angeordnet. Die in Fig. 9 dargestellte Lichtquelle 70 sowie der Positionssensor 10 sind zweimal vorgesehen, so daß die Probe bzw. das Material 14 und ein Winkel von 90° beobachtet werden kann. Die elektrischen Bausteine 20, die auch zweimal vorhanden sein müssen, liefern drei Raumkoordinaten. Die elektrostatische Positionierung wird von beispielsweise vier kugelförmig ausgebildeten Elektroden 2 vorgenommen. Diese sind tetraederförmig angeordnet und werden von vier getrennten Hochspannungsstufen 8 angesteuert. Als Verbindung zwischen den gemessenen Raumkoordinaten und der Hochspannungsansteuerung kann eine Analogelektronik oder ein Prozeßrechner (Mikroprozessor) dienen. Der Prozeßrechner 92 ist in Fig. 1 in gestrichelten Linien dargestellt und nur bei einer derartigen Anordnung notwendig. Diese Elektronik bzw. dieser Prozeßrechner 92 beinhaltet die Funktion des PID- Reglers und der Koordinatentransformation.

Die Anordnung der einzelnen Elektroden 2 ist, wie bereits dargestellt, aus der Sicht des optischen Meßsystems in Fig. 3 wiedergegeben.

Wortliste

2 Elektrode
8 Hochspannungsstufe
10 Positionssensor bzw. Detektoren
12 Fotodiode (Bauelemente)
14 Material
16 Auswerteeinheit
14′ Schatten des Materials
20 elektronischer Baustein
22 PID-Regler
30 Hochvoltverstärker
40 Hochspannungswandler
50 1. Frequenzweiche
52 2. Frequenzweiche
54 Widerstand
56 Masse
58 Kondensator
60 Kondensator
62 Kondensatoren
64 Widerstand
66 Schutzwiderstand
68 Schutzdioden
70 Lichtquelle
72 Laserdiode
74 Kollimator
76 Spiegel
80 parallele Lichtbündel
90 multiaxialer Positionierer
92 Prozeßrechner

Claims

1. Vorrichtung zum Positionieren von Materialien (14) in einem Kraftfeld, das auf akustische, elektrische oder dynamische Weise zwischen mindestens zwei Kraft erzeugenden Einheiten aufgebaut wird, wobei die Position der Materia lien (14) mittels mindestens einer Lichtquelle (70) und Detektoren (10) erfaßt wird, wobei die von den Detektoren (10) erfaßten Ist-Werte an eine Auswerteeinrichtung (16) weitergeleitet werden, die die Materialien (14) von einer erfaßten Ist-Wert-Position in die gewünschte Soll-Wert- Position bringt, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektoren (10) als Foto-empfindliche Bauelemente (12) ausgebildet sind, die unterhalb einer Zeit von kleiner als 10^-3 Sec. die Änderung der Lichtintensität erfaßt und der Auswerte einrichtung (16) zuführt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Auswerteeinheit (16) aus einem elektro nischen Baustein (20), der die unterschiedlichen Hellig keitswerte, der Fotodioden (2) erfaßt und die daraus re sultierenden Positionsinformationen an einen PID-Regler (22) weiterleitet, der den Ist-Wert mit einen Soll-Wert vergleicht und die daraus resultierende Regelgröße an eine Hochspannungsstufe (8) weitergibt, deren Ausgangssignal an mindestens eine Elektrode (2) weitergegeben wird.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hochspannungsstufe (8) aus einem Hochspannungswandler (40) und einem Hoch-Volt-Verstärker (30) besteht, die über eine erste Frequenzweiche (50) und eine zweite Frequenz weiche (52) gekoppelt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (2) als Platte, als Kugeln oder als Ring ausge bildet sein können.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur multiaxialen Positionierung des Materials mindestens zwei elektronische Bausteine (20) und mindestens zwei Detektoren (10) vorgesehen sind.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß dem elektrischen Baustein (20) mindestens vier Hochspannungs stufen (8) nachgeschaltet sind, wobei zwischen dem elek trischen Baustein (20) und der Hochspannungsstufe ein Prozeßrechner (92) vorgesehen ist, der die sich fortlaufend ändernde Position des Materials erfaßt und die Hoch spannungsstufen (8) ansteuert.