-
Gebiet der
Erfindung
-
Die
Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf Servosteuersysteme und
Servo-betätigte
Controller-Prozesse. Genauer gesagt betrifft die Erfindung Prozesse
für Controllersysteme,
die selektiv mit der Arbeitssonde eines Schwingspulenaktuators in Eingriff
kommen können,
um Positionen, Bewegungen und Kraftanwendungen der Sonde bei sowohl Translation
als auch Rotation zu steuern. Die Erfindung ist insbesondere, jedoch
nicht ausschließlich, als
eine computerisierte Vorrichtung für einen Schwingspulenaktuator
nützlich,
die Sondenroutinen in Übereinstimmung
mit umprogrammierten Zeitabläufen
implementiert.
-
Hintergrund
der Erfindung
-
Man
kann sich viele Aufgaben vorstellen, bei denen es entweder wünschenswert
oder erforderlich ist, eine bestimmte Kraft gegen ein Werkstück an einer
vorbestimmten Position oder Stelle anzulegen. Es kann für die geeignete
Ausführung
der Aufgabe äußerst bedeutsam
sein, dass die Kraft einen bestimmten Betrag aufweist und dass sie
mit einer spezifischen Orientierung für einen vorgeschriebene Dauer
angelegt wird. Für
solche Aufgaben, die Präzision
und Genauigkeit während
der Anlegung von sehr spezifischen Kräften oder die eine kombinierte Anwendung
veränderlicher
Kräfte
in unterschiedlichen Richtungen erfordern, ist es besonders bedeutsam,
dass die Kräfte
geeignet gesteuert werden.
-
In
den letzten Jahren ist allgemein anerkannt, dass Schwingspulenaktuatoren
für präzises und
genaues Arbeiten bei vielen unterschiedlichen Anwendungen verwendet
werden können,
bei denen extrem kleine Kräfte
verwendet werden und extrem kleine Toleranzen erforderlich sind.
Beispielsweise wird ein derartiger Schwingspulenaktuator in dem US-Patent
Nr. 5 175 456 offenbart und beansprucht, das an Neff u. a. für eine Erfindung
mit dem Titel "Workpiece
Transporter" erteilt
wurde und das an den Anmelder der Erfindung übertragen ist. Außerdem ist bekannt,
dass Schwingspulenaktuatoren zum Bewegen einer Arbeitssonde bei
der Translation z und Rotation θ in
der Ebene der Translation xy und verschiedenen Kombinationen dieser
Bewegungen gut geeignet sind. Siehe beispielsweise das US-Patent
Nr. 5 685 214, das von Neff u. a. am 22. März 1996 eingereicht wurde,
mit dem Titel "Actuator
for Translational and Rotary Movement", und das an den gleichen Anmelder wie
den der Erfindung übertragen
ist.
-
Die
EP-A-0 614 265 offenbart einen linearen Aktuator zum präzisen Bewegen
und Positionieren einer gefertigten Komponenten durch die Verwendung
eines Gehäuses
mit einem darauf angebrachten Magneten und einer elektrischen Spule,
die um einen Kolben bewegbar innerhalb des Gehäuses gewickelt und angebracht
ist. Der Aktuator kann ebenfalls die Vorrichtung durch Drehen eines
Griffs bewegen.
-
Wenn
erkannt wird, dass es viele getrennte und unterschiedliche Aufgaben
gibt, die von einer Arbeitssonde und insbesondere einer solchen
erreicht werden können,
die mit extremer Genauigkeit und Präzision bei sowohl Translation
als auch Rotation bewegbar ist, wird die Aufgabe zu der einer Steuerung.
Um eine Arbeitssonde bei irgendeiner bestimmten Anwendung zu steuern,
ist es zuerst nützlich,
die Arbeitssonde in einer Startposition geeignet zu positionieren.
Für Arbeitssonden
eines Schwingspulenaktuators wird diese Startposition durch eine axiale
Position z und eine Winkelorientierung θ festgelegt. Von dieser Startposition
werden die Kräfte, Positionen
und die Bewegungen der Sonde durch die besondere durchzuführende Aufgabe
vorgegeben. Ohne Rücksicht
darauf, ob von der Sonde verlangt wird, zu messen, zu prüfen, zu
bewegen, zu ändern, einzustellen,
zu verifizieren oder irgendeine Kombination dieser Arten von Funktionen
an einem Werkstück
durchzuführen,
ist es offensichtlich, dass ein hohes Ausmaß von Steuerung erforderlich
ist.
-
Mit
Blick auf das obige ist es eine Aufgabe der Erfindung, Computer/Controller-Prozesse
für einen
Schwingspulenaktuator und ein Verfahren für seine Verwendung bereitzustellen,
die die Sonde des Aktuators in Kombination von Translation und Rotation
in Übereinstimmung
mit vorprogrammierten Abläufen
entlang und um verschiedenen Steuerachsen bewegen. Es ist eine weitere
Aufgabe der Erfindung, Computer/Controller-Prozesse für einen
Schwingspulenaktuator und ein Verfahren für seine Verwendung bereitzustellen,
die die Sonde des Aktuators bei der Translation oder Rotation selektiv
bewegen und Linear- oder Rotationskräfte an ein Werkstück in Übereinstimmung
mit Aufgabenanforderungen selektiv anlegen. Noch eine weitere Aufgabe
der Erfindung besteht darin, Computer/Controller-Prozesse für einen Schwingspulenaktuator
und ein Verfahren für seine
Verwendung bereitzustellen, die von dem Operator zum Erreichen einer
spezifischen Aufgabe programmiert und dann anschließend umprogrammiert werden
können,
um zusätzliche
Aufgaben durchzuführen.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Computer/Controller
für einen
Schwingspulenaktuator bereitzustellen, der relativ leicht herzustellen,
einfach anzuwenden und vergleichsweise kostengünstig ist.
-
Diese
Aufgaben werden durch das Verfahren zum Steuern der Linear- und
Winkelreaktion einer Sonde, wie in Anspruch 1 definiert, und durch
die Vorrichtung zum Steuern der Linear- und Winkelreaktion einer Sonde, wie
in Anspruch 14 definiert, erreicht.
-
Zusammenfassung der bevorzugten
Ausführungsformen
-
In Übereinstimmung
mit der Erfindung umfassen Computer/Controller-Prozesse für einen Schwingspulenaktuator
selektiv betreibbare Regelungen bzw. Rückkopplungssteuerungen mit
offener und/oder geschlossener Schleife. Genauer gesagt umfasst,
sobald der Schwingspulenaktuator in der x-y-Ebene geeignet positioniert
ist, der Schwingspulenaktuator eine Sonde, die sowohl zur axialen Translation
(z) als auch axialen Rotation (θ)
selektiv bewegbar ist. Diese getrennten Bewegungen werden als Antwort
auf jeweilige angelegte unabhängige
statische und dynamische Steuerkräfte (Fz und
Fθ) durchgeführt. Bei
dynamischen Bedingungen überwacht
und steuert der Computer/Controller einzeln die z,θ-Bewegungen
der Sonde sowie auch die Kräfte
Fzd und Fθd,
die diese Bewegungen verursachen. In einem statischen Zustand steuert
der Computer/Controller die Kräfte
Fzs und Fzθ,
um eine geeignete Reaktionskraft an einem Werkstück einzurichten. Zu allen Zeiten
ist die genaue Stelle der Sonde in sowohl z als auch θ relativ
zu vorbestimmten Daten bzw. Bezügen bekannt.
-
Um
die genaue Stelle der Sonde in z und θ zu überwachen, ist der Computer/Controller
mit jeweiligen z- und θ-Codierern
verbunden, die mit jeweiligen Daten kalibriert sind. Diese Codierer überwachen
die Translationsposition (z) und die Rotationsposition (θ) der Sonde
während
ihres Betriebs. Außerdem
werden während
der Bewegungen der Sonde die Linear- und Winkelgeschwindigkeiten und Beschleunigungen
der Sonde durch den Computer/Controller berechnet und für die Zwecke
einer Sondensteuerung verwendet. Um diese Berechnung durchzuführen, wird
die zeitliche Änderung
bei der Translationsposition der Sonde von dem Computer/Controller
berechnet, um die tatsächliche
Lineargeschwindigkeit (dz/dt = v) der Sonde zu bestimmen. Außerdem kann
die zeitliche Änderung
der Lineargeschwindigkeit der Sonde berechnet werden, um die Linearbeschleunigung
(dv/dt = a) der Sonde zu bestimmen. Auf ähnliche Weise kann die zeitliche Änderung
in der Drehposition der Sonde durch den Computer/Controller berechnet
werden, um die tatsächliche
Rotationsgeschwindigkeit (dθ/dt
= ω) der Sonde
zu bestimmen, und die zeitliche Änderung
der Geschwindigkeit kann berechnet werden, um die Winkelbeschleunigung
(dω/dt
= α) der
Sonde zu bestimmen. Dieser tatsächlichen
Werte können
dann einzeln mit vorbestimmten und vorprogrammierten Werten von
v, a, ω und α verglichen
werden, um Rückkopplungssignale
zu erzeugen, die nützlich sind,
um die Kräfte
(Fzd und Fθd)
zu steuern, die für eine
geeignete Bewegung der Sonde erforderlich sind.
-
Zusätzlich zu
dem oben offenbarten z/θ-Codierern
kann der Computer/Controller ebenfalls mit einer Lastzelle und einem
Drehmomentmesser verbunden sein, die typischerweise an der Sonde
selbst angebracht sind. Sowohl die Lastzelle als auch der Drehmomentmesser
sind kalibriert, um den Betrag der Reaktionskräfte an der Sonde zu bestimmen.
Insbesondere wird die Lastzelle verwendet, um axiale Reaktionskräfte gegen
die Sonde (Fzs) zu messen, während der
Drehmomentmesser verwendet wird, um Reaktionskräfte der Torsion oder Rotation
gegen die Sonde (Fθs) zu messen. Diese Reaktionskräfte Fzs und Fθs können von
dem Computer/Controller überwacht
und in Übereinstimmung
mit vorprogrammierten Anweisungen in dem Computer verändert werden.
Somit können
unter sowohl statischen als auch dynamischen Bedingungen die Kräfte Fz und Fθ eingestellt werden,
um vorbestimmte Kräfte
an die Sonde und/oder das Werkstück
anzulegen oder ihnen entgegenzuwirken.
-
Bei
dem Betrieb des Computers/Controllers der Erfindung wird ein Startpunkt
für die
Sonde für jede
bestimmte durchzuführende
Aufgabe/Funktion festgelegt. In allen Fällen werden an dem Startpunkt für jede getrennte
Aufgabe oder Vorgang eine Anfangsposition (z und θ) und eine
Anfangskraft (Fz und Fθ)
festgelegt. Für
dynamische Vorgänge
der Sonde kann eine Axialkraft Fzd angelegt
werden, um die Sonde axial in Übereinstimmung
mit vorprogrammierten Anweisungen zu bewegen. Wie es oben angegeben
ist, kann dies eine Regelung bzw. ein Rückkopplungssteuervorgang mit
offener Schleife oder geschlossener Schleife sein. Bei einem Modus
mit geschlossener Schleife können
Fehlersignale für
die Sondenposition (z), die Geschwindigkeit (v) und/oder die Beschleunigung
(a) verwendet werden, um Fzd für die Axialbewegung
der Sonde zu steuern. Auf ähnliche
Weise kann noch in einem dynamischen Vorgang eine Rotationskraft
Fθd angelegt
werden, um die Sonde in Übereinstimmung
mit vorprogrammierten Anweisungen zu drehen. Wie bei der Translationsbewegung
der Sonde kann die Steuerung über
die Winkel- oder Rotationsbewegung der Sonde erneut entweder ein
Vorgang mit offener Schleife oder geschlossener Schleife sein. Wenn
ein Modus mit geschlossener Schleife verwendet wird, können Fehlersignale
für die
Sondenposition (θ),
die Geschwindigkeit (ω)
oder die Beschleunigung (α)
verwendet werden, um die Drehbewegung der Sonde zu steuern.
-
Wie
für die
Erfindung bestimmt, können
mehrere unterschiedliche oder sich wiederholende Aufgaben/Funktionen
in einem bestimmten Ablauf durchgeführt werden. Ferner können verschiedene Abläufe kombiniert
und für
ein bestimmtes Programm oder eine bestimmte Routine zusammen verwendet werden.
Wichtig ist, dass die Variablen, die während des Betriebs des Computers/Controllers
zu steuern sind, einzeln oder gemeinsam gesteuert werden können. Anders
gesagt können
einige der Variablen-Steuerungen nicht verwendet und sogar für eine bestimmte
Aufgabe/Funktion/Routine abgetrennt werden.
-
Wie
es oben angegeben ist, können
viele unterschiedliche Arten von Aufgaben von der Sonde eines Schwingspulenaktuators
durchgeführt
werden, wobei Axial- und/oder Drehbewegungen beteiligt oder wobei
Translations- und/oder Rotationskräfte erforderlich sind. Abhängig von
der durchzuführenden
bestimmten Aufgabe oder dem durchzuführenden Vorgang können verschiedene
Kombinationen dieser Bewegungen und Kräfte verwendet werden. In einem Überblick
können
die auf die Sonde wirkenden Kräfte
entweder dem Zweck des Bewegens der Sonde oder dem Zweck eines Erzeugens
einer Aktion durch die Sonde gegen ein Werkstück dienen. Außerdem kann
die Bewegung der Sonde entweder dem Zweck der Vorpositionierung
der Sonde dienen, sodass die Sonde anschließend an einem Werkstück arbeiten
kann, oder die Bewegung der Sonde kann dem Zweck des Messens oder
Bestimmens der Stelle des Werkstücks
bezüglich
des Datums (Bezugs) der Sonde dienen. Auch können, sobald Kontakt mit dem
Werkstück
hergestellt wurde, von der Sonde auf das Werkstück zusätzlich ausgeübte Kräfte zum Greifen
oder Bewegen des Werkstücks
oder zum Umkonfigurieren des Werkstücks auf eine Art und Weise
ausgeübt
werden.
-
Kurzbeschreibung
der Zeichnungen
-
Die
neuartigen Merkmale dieser Erfindung sowie auch die Erfindung werden
sowohl hinsichtlich ihrer Struktur und ihres Betriebs am besten
aus den begleitenden Zeichnungen in Verbindung mit der begleitenden
Beschreibung verstanden, in denen gleiche Bezugszeichen gleiche
Teile bezeichnen und in denen zeigen:
-
1 eine
allgemeine, schematische, perspektivische Ansicht der Betriebs-Komponenten
eines Schwingspulenaktuators, der mit geeigneten elektronischen
Verbindungen zu einem Computer/Controller gezeigt ist;
-
2 ein
Diagramm für
das Regelsystem mit geschlossener Schleife, das verwendet werden kann,
um die Sonde einer Schwingspulenaktuators zu steuern; und
-
3 ein
Logikdiagramm für
die Steueroperationen eines Computers/Controllers für einen Schwingspulenaktuator.
-
Beschreibung
der bevorzugten Ausführungsform
-
In
Bezug auf 1 sind die Betriebs-Komponenten
eines Systems zum Steuern eines Schwingspulenaktuators zusammen
gezeigt und allgemein mit 10 gekennzeichnet. Wie es gezeigt
ist, umfasst das System 10 einen Computer/Controller 12,
der von jeder in der betreffenden Technik bekannten Art sein kann,
der die Fähigkeit
hat, ausreichende Daten für die
Ausführung
der nachstehend offenbarten Aufgaben und Funktionen zu handhaben.
In dem System 10 ist ebenfalls ein Stab oder eine Sonde 14 enthalten,
der/die Teil des Schwingspulenaktuators ist. Außerdem umfasst die Sonde 14 einen
Greifer 16, der selektiv an dem distalen Ende der Sonde 14 zur
in Eingriffnahme mit einem Werkstück (nicht gezeigt) angebracht
werden kann. Für
die Erfindung kann der Greifer 16 viele unterschiedliche
Konfigurationen aufweisen, wobei jede dieser von der besonderen
Aufgabe abhängt,
die von dem System 10 durchzuführen ist. Beispielsweise kann
der Greifer 16 ein zu greifendes Werkstück mechanisch oder magnetisch in
Eingriff nehmen und das Werkstück
von einer Stelle zu einer anderen bewegen. Außerdem kann der Greifer 16 Ansaugung,
um ein Werkstück
in Eingriff zu nehmen, oder einen Klebstoff für diesen gleichen Zweck verwenden.
Ferner kann der Greifer ein Werkstück nicht tatsächlich in
Eingriff nehmen, sondern lediglich das Werkstück für den Zweck des Bestimmens
der genauen Stelle des Werkstückes
berühren. Andererseits
kann der Greifer 16 ein Werkzeug sein, wie beispielsweise
eine Schneidevorrichtung oder eine Poliervorrichtung, die zur Bewegung
durch die Sonde auf eine Art und Weise angebracht wird, die Arbeit
an einem Werkstück
ausführen
wird. Es genügt
anzuführen,
dass die Erfindung die Verwendung einer Vielzahl von Greifvorrichtungen
unterschiedlicher Art 16 ins Auge fasst, von denen jede
einzeln ausgestaltet und konfiguriert ist, um irgendeine oder mehrere
einer Vielzahl von Aufgaben durchzuführen.
-
In Übereinstimmung
mit einer typischen Konfiguration für einen Schwingspulenaktuator
umfasst das System 10 der Erfindung einen Magneten 18,
der mit einer elektrischen Spule 20 wechselwirkt. Vorzugsweise
ist der Magnet 18 ein Permanentmagnet, wobei jedoch elektrische
Magnete, etwa supraleitende Magnete, ebenfalls verwendet werden
können. Für die in 1 gezeigte
besondere Konfiguration wird der Magnet 18 als ein Permanentmagnet
gezeigt, der an der Sonde 14 befestigt ist, um sich mit der
Sonde zu bewegen (d. h. der Magnet bewegt sich). In diesem Fall
muss die Spule 20 stationär oder fest auf einem Basiselement
(nicht gezeigt) angebracht sein. Es ist jedoch offensichtlich, dass
die Position des Magnets 18 und der Spule 20 ohne
weiteres umgekehrt sein könnte.
Nämlich
die Spule 20 könnte
auf eine Art an der Sonde 14 angebracht sein, um sich mit
der Sonde 14 zu bewegen, und der Magnet 18 sollte
dann stationär
oder fest an dem Basiselement angebracht sein. Ferner ist offensichtlich, dass
eine Mehrzahl von Magneten 18 oder eine Mehrzahl von Spulen 20 verwendet
werden können.
-
Bei
allen möglichen
Konfigurationen für
den Magneten 18 und die Spule 20 ist das Magnetfeld des
Magneten 18 spezifisch positioniert, um mit dem elektromagnetischen
Feld der Spule 20 wechselzuwirken. Aufgrund dieser Wechselwirkung
können Kräfte zwischen
dem Magneten 18 und der Spule 20 erzeugt werden,
die wirken werden, um die Sonde 14 zu bewegen. Insbesondere
ist der Computer 12 betriebsmäßig mit einer Spannungsquelle
verbunden, die einen gesteuerten Strom an die Spule 20 durch einen
Leitung 22 liefert. Abhängig
von der Menge des durch die Spule 20 fließenden Stroms
und der Richtung, in der dieser Strom durch die Spule 20 fließt, kann
die Richtung und die Größe der Wechselwirkungskraft
zwischen dem Magneten 18 und der Spule 20 auf
dem Fachmann bekannte Art gesteuert werden.
-
1 zeigt
ebenfalls, dass ein Paar von Drehlagern 24, 26 an
der Sonde 14 befestigt ist, und dass diese Lager 24, 26 jeweils
an Stäben 28, 30 befestigt
sind, die auf einer Führung 32 verschiebbar angebracht
sind. Genauer gesagt sind die Lager 24, 26 von
einer Art, die sich nicht in einer axialen Richtung relativ zu der
Sonde 14 bewegen. Die Lager 24, 26 ermöglichen
jedoch die Rotation der Sonde 14 um ihre Längsachse.
Somit werden durch die Wechselwirkung der Lager 24, 26 und
der Stäbe 28, 30 Bewegungen
der Sonde 14 festgelegt. Insbesondere ist die Sonde 14 auf
die Translation einer im wesentlichen linearen Bewegung parallel
zu der Führung 22 in
Vorwärts-
und Rückwärtsrichtungen
beschränkt,
wie es durch den Pfeil 34 angegeben ist. Ferner ist die
Sonde 14 in ihrer Rotationsrichtung eingeschränkt, um sich
in Uhrzeigerrichtung oder in entgegengesetzter Uhrzeigerrichtung
im wesentlichen um ihre Längsachse
zu drehen, wie es durch den Pfeil 36 angegeben wird. Aufgrund
der Tatsache, dass Reibung die Kraftschwelle an der Sonde 14 darstellt,
ist es wünschenswert,
dass die Lager 24, 26 minimale Reibungskräfte aufweisen.
Luftlager können
verwendet werden.
-
Wie
es oben offenbart ist, werden Translationsbewegungen der Sonde 14 in
den Richtungen des Pfeils 34 durchgeführt, und diese sind auf die Wechselwirkungskräften zurückzuführen, die
zwischen dem Magneten 18 und der Spule 20 erzeugt werden.
Andererseits werden Drehbewegungen der Sonde 14 um die
Achse der Sonde 14 in den Richtungen des Pfeils 36 durchgeführt, die
auf den Betrieb eines Drehmotors 38 zurückzuführen sind. Für die Zwecke
der Erfindung kann der Drehmotor 38 ein herkömmlicher
Gleichstrombürstenmotor
oder jeder Motor von ähnliche
Art sein, der in der Technik bekannt ist, der ein dem Strom proportionales
Drehmoment entwickelt. Vorzugsweise ist der Drehmotor 38 von
einem Typ mit Direktantrieb, der an der Sonde 14 angebracht
ist und sich mit der Sonde 14 bei der Translation bewegt.
Die Aktivierung des Drehmotors 38 wird durch elektronische
Signale (Strom) erzielt, die von dem Computer/Controller 12 an
den Drehmotor 38 über
eine Leitung 40 geleitet werden.
-
Die
Steuerung über
die Translations- und Rotationsbewegungen der Sonde 14 ist
aufgrund der Verwendung von verschiedenen Sensoren in dem System 10 möglich. Insbesondere
umfassen diese Sensoren einen z-Codierer 42, der mit dem
Computer 12 über
eine Leitung 44 verbunden ist, und einen θ-Codierer 46,
der mit dem Computer 12 über eine Leitung 48 verbunden
ist. Für
die Zwecke der Erfindung ist der z-Codierer vorzugsweise ein linearer
Codierer mit feiner Auflösung,
und dieser kann ein linearer Codierer beliebiger Art mit Kontakt
oder ohne Kontakt sein, der in der Technik bekannt ist. Auf ähnliche
Art und Weise kann der θ-Codierer 46 von
einem in der Technik bekannten Typs sein. Der z-Codierer 42 ist positioniert,
wie in 1 gezeigt, um die Translationsbewegung der Sonde 14 in
den Richtungen des Pfeils 34 zu erfassen, während der θ-Codierer 46 positioniert
ist, um Rotationsbewegung der Sonde 14 in der Richtung
des Pfeils 36 zu erfassen. Wie es für den Fachmann offensichtlich
ist, wird die gleichzeitige Verwendung von sowohl dem z-Codierer 42 als
auch dem θ-Codierer 46 ausreichende
Information liefern, um die genaue Position der Sonde 14 zu
bestimmen. Durch Vergleichen der Positionen kann ebenfalls der von
der Sonde 14 sowohl bei der Translation als auch bei der
Rotation durchlaufenden Abstand bestimmt werden. Die dynamische
Bewegungssteuerung der Sonde 14 erfordert jedoch mehr. Insbesondere
können,
um eine dynamische Steuerung der Sonde 14 zu erreichen,
Linear- und Rotationsgeschwindigkeiten sowie auch Linear- und Rotationsbeschleunigungen
erforderlich sein.
-
Die
Steuerung mit offener Schleife der Sonde 14 unter dynamischen
und statischen Bedingungen ist ziemlich unkompliziert. Zuerst ist
offensichtlich, dass eine geeignete Position in der xy-Ebene festgelegt
wird. Dann kann für
dynamische Bedingungen, wenn eine Änderung in der z-Richtung für die Sonde 14 erforderlich
ist, der Computer 12 einfach die Spule 20 mit
einer passenden Strommenge für
einen passenden Zeitraum aktivieren. Auf ähnliche Weise kann, wenn eine Änderung
in der Winkelorientierung θ erwünscht ist,
der Drehmotor 38 passend aktiviert werden. Natürlich kann
eine Kombination von Bewegungen in z und θ durchgeführt werden. Die Genauigkeit
dieser Bewegungen kann mit Bezug auf den z-Codierer 42 und den θ-Codierer 46 geprüft werden.
Anschließend
können
geeignete Änderungen
durchgeführt
werden, falls notwendig. Unter statischen Bedingungen, d. h. sobald
die Sonde 14 geeignet in x-y-z-θ positioniert wurde, kann eine geeignete
Axialkraft Fzs oder Rotationskraft Fθs an
die Sonde 14 angelegt werden. Die Genauigkeit dieser Kräfte kann durch
jeweiliges Überwachen
der Lastzelle 50 oder des Drehmomentmessers 54 geprüft werden.
-
Zusätzlich zu
der Steuerung mit offener Schleife der Sonde 14 sind verschiedene
Regelungen bzw. Rückkopplungssteuerungen
mit geschlossener Schleife für
das System 10 der Erfindung verfügbar. In 2 ist
ersichtlich, dass die Erfindung eine Rückkopplungssteuerung mit geschlossener Schleife
für: a)
die lineare axiale Position (z) der Sonde 14; d) die Winkelposition
(θ) der
Sonde 14; c) die Axialkraft (Fz),
die auf die Sonde 14 in der z-Richtung ausgeübt wird;
und d) die Rotationskraft (Fθ), die auf die Sonde 14 um
ihre Längsachse
ausgeübt
wird, in Betracht zieht. Wie es in 2 gezeigt
ist, beinhaltet jede dieser Variablen eine jeweilige dynamische
Einheit G und ein Rückkopplungselement
H. Wie es für den
Fachmann offensichtlich ist, können
die dynamischen Einheiten G und die Rückkopplungselemente H ausgestaltet
sein, um den besonderen Anforderungen für jede spezifische Aufgabe
zu erfüllen.
Außerdem
kann nach Bedarf eine Rückkopplungssteuerung
für die
Linear- und Winkelgeschwindigkeiten (v, ω) und die Linear- und Winkelbeschleunigungen
(a, α) verwendet
werden. Es sei ebenfalls bemerkt, dass jede Rückkopplungssteuerschleife selektiv
verwendet werden kann. Anders ausgedrückt müssen keine derartigen Rückkopplungssteuerschleifen
verwendet werden. Wenn beispielsweise nur die lineare Translation
der Sonde 14 erforderlich ist, dann müssen die Rückkopplungssteuerschleifen,
die die Winkelbewegung der Sonde 14 (d. h. θ, ω, α, Fθs und
Fθd)
betreffen, nicht verwendet werden. Andererseits kann lediglich Winkelbewegung
und nicht Translationsbewegung erforderlich sein. In diesem Fall
müssen
die Rückkopplungssteuerschleifen,
die die Translationsbewegung der Sonde 14 (d. h. z, v,
a, Fzs und Fzd)
betreffen, nicht verwendet werden.
-
In 3 gibt
der Block 56 an, dass Routinen vorgesehen sind, die Zeitabläufe und
vorprogrammierte Referenzwerte für
die Bewegungsvariablen umfassen, die bei sowohl Translations- als
auch Rotationsbewegungen der Sonde 14 beteiligt sind. Typischerweise
werden diese Referenzwerte in dem Computer/Controller 12 programmiert
sein. In Übereinstimmung
mit der obigen Offenbarung werden der z-Codierer 42, der θ-Codierer 46,
die Lastzelle 50 und der Drehmomentmesser 54 alle
mit der Sonde 14 verbunden, um die tatsächlichen Werte für z, θ, Fz, Fθ jeweils zu überwachen
und zu erhalten, die im Block 58 angegeben sind. Mit diesen
Messungen ist der Computer/Controller 12 dann imstande,
die statischen und dynamischen Kräfte zu steuern, die auf die
Sonde 14 in sowohl den axialen als auch den radialen Richtungen
wirken.
-
Für die lineare
Translationsbewegung der Sonde 14 in einer Richtung entlang
ihrer Längsachse oder
für die
Ausübung
einer Axialkraft auf die Sonde 14 gibt der Block 60 von 3 an,
dass eine Axialkraft Fz zu erzeugen ist.
Für dynamische
Bedingungen, wie oben offenbart, kann die Änderung der Position (z) für die Sonde 14,
ihre Geschwindigkeit (v) und/oder ihre Beschleunigung (a) einzeln
oder zusammen überwacht
werden. Wie es durch die Entscheidungsblöcke 62 und 64 angegeben
ist, kann die auf die Sonde 14 wirkende dynamische Kraft
(Fzd) passend geändert werden. Andererseits
kann für
statische Bedingungen, bei denen es keine Änderung in der Position (z)
der Sonde 14 und es somit keine Geschwindigkeit oder Beschleunigung
gibt, eine statische Kraft Fzs auferlegt
werden. In diesem Fall gibt der Block 66 an, dass die Kraft
Fzs eine bestimmte Größe aufweisen muss. Der Block 68 gibt
entweder für
statische oder dynamische Bedingungen an, dass die Position z (und
ihre zugeordnete Variable v und a) sowie auch die Größe der Axialkraft
Fz (d. h. Fzs oder Fzd) mit der besonderen vorprogrammierten
Routine von Block 56 übereinstimmen
muss.
-
Beispielhafte
Anwendungen für
Steuerprozesse, die die lineare Translationsbewegung der Sonde 14 in
der z-Richtung beinhalten, umfassen Routinen für die Steuerung mit offener
Schleife bezüglich
Kraftänderungen
und die Steuerung mit geschlossener Schleife für die Erhaltung des Kraftbetrags
oder Positionsstabilität.
Als ein Beispiel von Kraftänderungen
mit offener Schleifen sei eine Anwendung betrachtet, bei der die
Kraft Fz mit der Zeit zu erhöhen oder
zu verringern ist. Um dies durchzuführen, wird eine Routine (Block 56, 3)
in den Computer 14 programmiert, die verlangt, dass die statische
Kraft Fz in Übereinstimmung mit einem vorprogrammierten
Zeitablauf verändert
wird, um eine spezifische Aufgabe zu erfüllen. Nachdem die Sonde 14 gegen
ein Werkstück
(nicht gezeigt) positioniert wurde, wird die statische Kraft Fzs an die Sonde 14 angelegt, bis
der vorprogrammierte Betrag von der Lastzelle 50 angegeben
wird. Danach kann Fz stufenweise mit der
Zeit verändert
werden. In diesem Fall ist die tatsächliche Position z der Sonde 14 belanglos.
Andererseits und ebenfalls mittels Beispiel kann, wenn eine konstante
Kraft an dem Werkstück
während
der Durchführung
der Aufgabe aufrecht zu erhalten ist, die Position und die Bewegung
des Werkstücks
während
der Anlegung der Kraft Fz kritisch sein.
In diesem Fall muss jede Veränderung
in Fz, die von der Lastzelle 50 erfasst
wird, oder jede Bewegung des Werkstücks und der Sonde 14,
die von dem z-Codierer 42 erfasst wird, mit einer passenden Änderung
entweder der Position z oder der Kraft Fz,
die an die Sonde 14 angelegt wird, berücksichtigt werden. Für die Positionssteuerung
in einem Modus mit geschlossener Schleife wird jede Veränderung
in der Position der Sonde 14 durch den z-Codierer 42 als ein
Fehlersignal (ez) erfasst. Um die Position
beizubehalten, kann eine Rückkopplungssteuerung
verwendet werden, um das Fehlersignal (ez)
zu annullieren. Dies kann, wie es durch 2 vorgeschlagen wird,
durch Durchführen
geeigneter Änderungen
in der angelegten Kraft Fz ausgeführt werden.
Es ist offensichtlich, dass alle obigen Situationen lediglich Beispiele
sind. Die tatsächlichen
Routinen (Block 56), die in den Computer 12 programmiert
werden können,
sind von dem Bediener zu bestimmen.
-
Für die winkelmäßige Drehbewegung
(θ) der Sonde 14 um
ihre Längsachse
oder für
die Ausübung einer
Rotationskraft auf die Sonde 14 gibt der Block 70 von 3 an,
dass eine Winkelkraft Fθ zu erzeugen ist. Für dynamische
Bedingungen kann, wie oben offenbart, die Änderung der Winkelposition
(θ) für die Sonde 14,
ihre Winkelgeschwindigkeit (ω) und/oder
ihre Winkelbeschleunigung (α)
einzeln oder zusammen überwacht
werden. Wie es durch die Entscheidungsblöcke 72 und 74 angegeben
ist, kann die auf die Sonde 14 wirkende dynamische Kraft
(Fθd)
geeignet geändert
werden. Andererseits kann für
statische Bedingungen, bei denen es keine Änderung in der Position (θ) der Sonde 14 und
somit keine Geschwindigkeit oder Beschleunigung gibt, eine statische
Kraft Fθs auferlegt
werden. Für
entweder statische oder dynamische Bedingungen gibt der Block 68 erneut
an, dass auch die Winkelposition θ (und ihre zugeordneten Variablen ω und α) und der
Betrag der Rotationskraft (d. h. Fθs oder
Fθd)
der Programmroutine von Block 56 entsprechen muss.
-
Beispielhafte
Anwendungen für
Steuerprozesse, die die Drehbewegung der Sonde 14 in der θ-Richtung
beinhalten, umfassen ähnlich
zu den oben für
die z-Richtung gegebenen Beispiele Routinen für Kraftänderungen mit offener Schleife
und Kraftbetragserhaltung mit geschlossener Schleife. Als ein Beispiel
von Kraftänderungen
mit geschlossener Schleife sei eine Anwendung betrachtet, bei der die
Kraft Fθ mit
der Zeit zu erhöhen
oder zu verringern ist. Um dies durchzuführen, wird eine Routine (Block 56, 3)
in den Computer 12 programmiert, die erfordert, dass die
statische Kraft Fθ in Übereinstimmung mit einem vorprogrammierten
Zeitablauf verändert
wird, um eine spezifische Aufgabe auszuführen. Nachdem die Sonde 14 gegen
ein Werkstück (nicht
gezeigt) positioniert wurde, wird die statische Kraft Fθs an
die Sonde 14 angelegt, bis der vorprogrammierte Betrag
von dem Drehmomentmesser 54 angegeben wird. Danach kann
Fθ stufenweise
mit der Zeit verändert
werden. In diesem Fall ist die tatsächliche Winkelposition θ der Sonde 14 belanglos.
Andererseits und ebenfalls mittels Beispiel kann, wenn eine konstante
Kraft Fθ an
dem Werkstück
während der
Durchführung
der Aufgabe aufrecht zu erhalten ist, die Position und die Bewegung
des Werkstücks während der
Anlegung der Kraft Fθ kritisch sein. In diesem
Fall kann jede Veränderung
in Fθ,
die von dem Drehmomentmesser 54 erfasst wird, oder jede Bewegung
des Werkstücks
und der Sonde 14, die von dem θ-Codierer 46 erfasst wird, mit
einer passenden Änderung
in entweder der Position θ oder
der Kraft Fθ,
die an die Sonde 14 angelegt wird, berücksichtigt werden. Zur Positionssteuerung
in einem Modus mit geschlossener Schleife wird jede Veränderung
in der Winkelposition der Sonde 14 von dem θ-Codierer 46 als
ein Fehlersignal (eθ) erfasst. Um die Position
beizubehalten, kann die Rückkopplungssteuerung
verwendet werden, um das Fehlersignal (eθ)
zu annullieren. Dies kann, wie es ebenfalls durch 2 nahegelegt
wird, durch passende Änderungen in
der angelegten Kraft Fθ durchgeführt werden.
Es ist offensichtlich, dass alle obigen Situationen lediglich Beispiele
sind. Wie bei dem oben für
die lineare Steuerung der Sonde 14 gegebenen Beispiele
ist offensichtlich, dass diese ebenfalls lediglich Beispiele sind.
Die tatsächlichen
Routinen (Block 56), die in den Computer 12 programmiert
werden können,
sind von dem Bediener zu bestimmen.
-
Wenn 3 in
seiner Gesamtheit zusammen mit der in 2 nahegelegten
Steuerungen mit geschlossener Schleifen betrachtet wird, ist offensichtlich,
dass sowohl Translations- als auch Rotationsbewegungen, sowie auch
Axial- und Winkelkräfte durch
Verfahren der Erfindung gesteuert werden können. Wie es für die Erfindung
beabsichtigt ist, sind eine Fülle
möglicher
Kombinationen von Kräften
und Bewegungen an der Sonde 14 beabsichtigt.
-
Obwohl
die besonderen Steuerprozesse für einen
linearen Schwingspulenaktuator, wie hier gezeigt und ausführlich offenbart,
völlig
imstande sind, die Aufgaben zu erreichen und die hier zuvor angegebenen
Vorteile zur Verfügung
zu stellen, ist es offensichtlich, dass es für die gegenwärtig bevorzugten Ausführungsformen
der Erfindung lediglich beispielhaft ist, und dass keine Beschränkungen
auf die hier gezeigten Einzelheiten des Aufbaus und der Ausgestaltung
beabsichtigt sind, außer
denjenigen, die in den beigefügten
Ansprüchen
beschrieben sind.