DE4322011C1

DE4322011C1 - Einrichtung zur Beseitigung von Verkippungen in Antrieben mit Gaslagern

Info

Publication number: DE4322011C1
Application number: DE4322011A
Authority: DE
Inventors: Gerd Huebner
Original assignee: Jenoptik Jena GmbH; Jenoptik AG
Current assignee: Jenoptik AG
Priority date: 1993-07-02
Filing date: 1993-07-02
Publication date: 1994-09-08
Anticipated expiration: 2013-07-03
Also published as: WO1995001590A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Beseitigung von Verkippungen in Antrieben mit Gaslagern, in denen ein bewegliches und zu einem freistehenden Gaslagerteil parallel ausgerichtetes Gaslagerteil Träger zu bewegender Objekte ist.

Gasgeschmierte Lager oder Führungen sind als technische Lösungen besonders geeignet zur Erzielung reibungsarmer Bewegungen. Geradführungen, Rotoren, Tische und andere Konstruktionselemente erhalten sehr gute Eigenschaften und bei zentraler Krafteinwirkung bestes dynamisches Verhalten. Konstruktion, Bau, Versorgung und Betrieb sind anderen Lösungen häufig überlegen.

Probleme können jedoch beim Einsatz dieser technischen Lösungen für Linear- und Planarantriebe auftreten, bei denen ein Stator und ein Läufer magnetisch so konstruiert sind, daß durch Ein- und Ausschalten der Wickelströme in einzelnen Bereichen die Magnetkräfte (Permanentmagnet) verstärkt oder geschwächt werden. Bei diesem Kräftespiel entstehen oder ändern sich Kräfte, die die Anziehung von Stator und Läufer betreffen, und Kräfte, die den Antrieb des Läufers, eine Linearbewegung, bewirken.

Die Funktion eines derartigen Linearmotors, der beispielsweise in der DE- Patentschrift 31 28 834 beschrieben ist, wird gestört, wenn im Luftlager exzentrisch Kräfte auftreten, die die Eigenstabilität überfordern. Das ist der Fall, wenn beim Positionieren oder Beschleunigen außermittig große vertikale Magnetkräfte anfallen und gleichzeitig in Luftlagerspalthöhe horizontale Antriebskräfte auf einen weit entfernten Masseschwerkpunkt wirken. Dann kippen gelenkig montierte Einzellager, und auch fest mit dem bewegten Objekt verbundene Lager weichen vom parallelen Luftspalt ab.

Zwar ist dieses Problem durch eine hohe innere und äußere Steifigkeit zu lösen, führt aber meistens zu einem größeren Materialaufwand, bzw. es ist der Einsatz von Wälzlagern erforderlich oder bei Linearmotoren die Anwendung von umfassenden Gaslagern, d. h. gegenseitig verspannten Doppellagern im Ober- und Unterteil.

Die EP 421 528 A1 beschreibt zum Beispiel eine in zwei Koordinaten positionierende Einrichtung, bei der eine hohe Steifigkeit durch Mittel zur Erzeugung einer magnetischen Vorspannung erreicht wird.

Probleme treten insbesondere bei Planarantrieben auf, wenn der Antrieb Abmessungen von ca. 100 mm überschreitet, so daß innere Steifigkeit mit zu großem Aufwand realisiert werden muß oder das Risiko einer Zerstörung des Gaslagers durch gegenseitiges Berühren von Läufer Stator wächst, wenn der Planarantrieb kippt.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein durch Verkippung hervorgerufen, gegenseitiges Berühren beider Gaslagerteile ohne Erhöhung der inneren und äußeren Steifigkeit auszuschließen.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch eine Einrichtung zur Beseitigung von Verkippungen in Antrieben mit Gaslagern, in denen ein bewegliches und zu einem feststehenden Gaslagerteil parallel ausgerichtetes Gaslagerteil Träger zu bewegender Objekte ist, dadurch gelöst, daß das bewegliche Gaslagerteil aus einander benachbarten Trägerteilen mit paarweise zueinander parallelen Kanten besteht, auf denen das Objekt sowohl abschnittsweise über Stellmittel als auch abschnittsweise über Gelenke befestigt ist, deren Drehachsen senkrecht zur Objektbewegungsrichtung und parallel zum feststehenden Gaslagerteil sind, und daß das Maß einer Lageabweichung eines Trägerteils von der parallelen Lage zum feststehenden Gaslagerteil als Regelgröße für die Stellmittel dient.

Eine gemessene Parallelitätsänderung, also eine Kippung, erzeugt die sofortige, gegen die Änderung gerichtete Drehung der Trägerteile um ihre Drehachsen in dem Maße, daß die Parallelität der Trägerteile untereinander und gegen das feststehende Gaslagerteil erhalten bleibt.

Vorteilhafterweise sind die Stellmittel bei einem Planarsystem Piezoelemente, Exzenter o. ä., die eine feste, abstandsveränderliche Verbindung zwischen dem Objekt und den Abschnitten auf den Trägerteilen herstellen.

Außerdem können die Stellmittel auch als eine auf Gelenkhebelbasis arbeitende Verbindung zwischen dem Objekt und den Trägerteilen ausgebildet sein.

Für die Bestimmung der Lageabweichung eignet sich eine Lösung, bei der das Trägerteil mit dem feststehenden Gaslagerteil Paare von Kondensatoren bildet, deren Abstandsstrecke senkrecht zu einer Drehachse des Trägerteils gerichtet ist und aus deren Kapazitätsdifferenz die Regelgröße für das Stellmittel gebildet wird.

Vorteilhaft ist die Bestimmung der Lageabweichung auch durch äußere Meßsysteme mittels Autokollimation.

Die Erfindung soll nachstehend anhand der schematischen Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigt

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Einrichtung mit kapazitiv messender Regelung und

Fig. 2 ein für Planarsysteme geeignetes bewegtes Lagerteil in perspektivischer Darstellung.

Gemäß Fig. 1 ist ein aus Trägerteilen 1, 2 bestehendes bewegliches Gaslagerteil auf einer als feststehendes Gaslagerteil dienenden Grundplatte 3 durch Gaslagerung abgestützt. Zu bewegendes Objekt ist ein anwendungsbedingt massiv gestalteter Tisch 4, der in aneinandergrenzenden Kantenbereichen der Trägerteile 1, 2 über ein Stellelement 5 und einen Gelenkhebel 6 und in Kantenbereichen ohne angrenzendes Trägerteil über Scharniergelenke 7, 8 mit den Trägerteilen 1, 2 in Verbindung steht. Die Scharniergelenke 7, 8 besitzen zueinander und zur Grundplatte 3 parallele Drehachsen.

Das Stellelement 5 überträgt in Verbindung mit dem Gelenkhebel 6 sowohl die Verstellung der Trägerteile 1, 2 um die Gelenkachsen der Scharniergelenke 7, 8 als auch die Belastung des Tisches 4 auf die Trägerteile 1, 2.

Mindestens eines der Trägerteile 1, 2 besitzt ein aus Teilflächen der Unterseite des Trägerteils und der Grundplatte 3 gebildetes Kondensatorpaar C1, C2, das Bestandteil eines kapazitiven Meßsystems 9 ist, dessen Meßergebnisse einer mit dem Stellelement 5 in Verbindung stehenden Regelung 10 zugeführt werden.

Im Normalfall sind durch die Gaslagerung zwischen den Trägerteilen 1, 2 und der Grundplatte 3 gebildete Luftspalte h_g und h_k gleichgroß, so daß die Trägerteile 1, 2 in einer gemeinsamen, zur Grundplatte 3 parallelen Ebene liegen.

Sobald infolge einer einseitigen Mehrbelastung des Tisches 4 eine keilförmige Luftspaltverformung entsteht, z. B. wenn der Luftspalt h_k bei C2 kleiner als der bei C1 wird, liefert das Meßsystem 9 größere Werte für C2 als C1. Die Regelung ermittelt eine Regelgröße RG=C1-C2 mit negativem Vorzeichen. Die negative Regelgröße RG bewirkt eine Verstellung des Stellelementes 5 und des Gelenkhebels 6 solange bis C1=C2 und somit die Regelgröße RG Null ist, was dem in Fig. 1 dargestellten Zustand entspricht. Das System ist im Gleichgewicht, und obwohl das Trägerteil 2 eine größere Last aufnimmt als das Trägerteil 1, sind die Luftspaltbegrenzungen parallel zueinander. Eine Beschädigung der Grundplatte durch eine Ecke oder Kante des Trägerteils 2 ist ausgeschlossen.

Die für Planarsysteme geeignete Einrichtung in Fig. 2, bei der aus Übersichtsgründen Tisch, Grundplatte sowie Meß- und Regelsystem nicht dargestellt sind, besteht aus vier Trägerteilen 11, 12, 13 und 14 mit paarweise zueinander parallelen Kanten. Während in aneinandergrenzenden Kantenbereichen, insbesondere in den Ecken, als Piezoelemente 15 ausgebildete Stellmittel vorgesehen sind, besitzen die äußeren Ecken der Trägerteile 11, 12, 13, 14, die durch Kantenbereiche ohne angrenzendes Trägerteil gebildet werden, mit den Ecken des Tisches befestigte Kugelgelenke 16. Damit sind die Trägerteile 11, 12, 13, 14 um zwei senkrecht zueinander liegende, zu den Kanten der äußeren Ecken und der Grundplatte parallele Achsen kippbar. Die Piezoelemente 15 stellen eine feste einstellbare Verbindung zum darüber angeordneten Tisch her, mit denen über entsprechende Stellspannungen R_i, S_i und T_i der Abstand am Ort der Verbindung eingestellt werden kann.

Abstandsänderungen zur Gewinnung einer Regelgröße sind zum Beispiel auf der Basis einer Lösung gemäß Fig. 1 oder durch eine äußere Messung mittels Autokollimation ermittelbar.

Wird beispielsweise der Tisch um die x-Achse um eine Winkeleinheit und um die y- Achse um zwei Winkeleinheiten gekippt, ergeben sich folgende Spannungsänderungen in Spannungseinheiten an den Piezoelementen 15:

Unter der Voraussetzung, daß die Spannung abstandsproportional ist, sind in diesem Zustand die Unterseiten der Trägerteile 11, 12, 13, 14 untereinander und zur Grundplatte parallel.

Claims

1. Einrichtung zur Beseitigung von Verkippungen in Antrieben mit Gaslagern, in denen ein bewegliches und zu einem feststehenden Gaslagerteil parallel ausgerichtetes Gaslagerteil Träger zu bewegender Objekte ist, dadurch gekennzeichnet, daß das bewegliche Gaslagerteil aus einander benachbarten Trägerteilen mit paarweise zueinander parallelen Kanten besteht, auf denen das Objekt sowohl abschnittsweise über Stellmittel als auch abschnittsweise über Gelenke befestigt ist, deren Drehachsen senkrecht zur Objektbewegungsrichtung und parallel zum feststehenden Gaslagerteil sind, und daß das Maß einer Lageabweichung eines Trägerteils von der parallelen Lage zum feststehenden Gaslagerteil als Regelgröße für die Stellmittel dient.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stellmittel Piezoelemente sind, die eine feste, abstandsveränderliche Verbindung zwischen dem Objekt und den Abschnitten auf den Trägerteilen herstellen.

3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stellmittel Exzenter sind.

4. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Stellmittel eine auf Gelenkhebelbasis arbeitende Verbindung zwischen dem Objekt und den Trägerteilen vorgesehen ist.

5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bestimmung der Lageabweichung das Trägerteil mit dem feststehenden Gaslagerteil Paare von Kondensatoren bildet, deren Abstandstrecke senkrecht zu einer Drehachse des Trägerteils gerichtet ist und aus deren Kapazitätsdifferenz die Regelgröße für das Stellmittel gebildet wird.

6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekenzeichnet, daß die Bestimmung der Lageabweichung durch äußere Meßsysteme mittels Autokollimation erfolgt.