DE3432842A1

DE3432842A1 - X-y-flaechenantrieb mit begrenzter (phi)-drehung und z-verschiebung

Info

Publication number: DE3432842A1
Application number: DE19843432842
Authority: DE
Inventors: Hans-Jürgen Dr. DDR 6300 Illmenau Furchert
Original assignee: Jenoptik Jena GmbH
Current assignee: Jenoptik AG
Priority date: 1983-11-30
Filing date: 1984-09-07
Publication date: 1985-06-05
Also published as: DD222747A1; JPS60223460A; US4656408A

Description

xy-3?lächenantrieb mit begrenzter *f -Drehung und z-Verschiebun^

Die Erfindung betrifft einen xy-Flächenantrieb mit begrenzter ψ -Drehung und z-Verschiebung, insbesondere für die schnelle und genaue x-y- f -^-Positionierung räumlicher und flächenhafter Objekte in der Geräte- und Automatisierungstechnik für die Ortsstrukturerkennung bzw. -veränderung· Derartige Antriebe sind besonders für den Anschluß an digitale Signale erzeugende elektronische Systeme geeignet·

Es ist bekannt, daß auf der Basis von Kreuztischen mit den bekannten motorischen Einzelantrieben, auch unter Verwendung von Bewegungswandlern, xy-Bewegungen erzeugt werden und eine ψ -Drehung, auch in Schritten, mit einer auf oder in der xy-bewegten Kreuztischplatte mechanisch gelagerten und separat unter Verwendung eines Bewegungswandlers angetriebenen weiteren Tischplatte realisiert wird. Diese Lösungen erfordern einen großen mechanischen Führungsaufwand und sind daher einem vielflächigen Verschleiß unterworfen, wobei die große Masse einer guten Dynamik hinderlich ist·

Die xy-Bewegung in einer Ebene ohne Bewegungswandler kann nach der Patentschrift DD 146 525 durch spezielle Spulenanordnungen realisiert werden· Dabei ist es jedoch das Ziel, störende Drehbewegungen zu vermeiden bzw· zu kompensieren. Zusätzlich wurde bereits die Realisierung der xy-Bewegung in einer und zwei Ebenen ohne Bewegungswandler mit dem Ziel

4393

der Verhinderung oder der Kompensation der störenden Drehbewegung durch spezielle Spulen- und Magnetanordnungen vorgeschlagen.

In einem weiteren Vorschlag ist euch bereits ein xy Ψ Oberflächenmotor mit Kreissektorflachspulen beschrieben. Dieser Antrieb benötigt aber eine große Spulenzahl und besitzt für kleine xy-Bewegungen große Abmessungen, was einen großen Regelungs- und Herstellungsaufwand erfordert. Nach einer anderen Lösung ist eine Antriebseinrichtung mit drei Freiheiten nach dem Prinzip des Wanderfeldmotors beschrieben, der große Abmessungen fUr die Erregerspulen bei ausreichender Leistung für eine hohe Dynamik erfordert. Bewegungen in einer horizontalen z-Achse, verbunden mit begrenzter ψ -Drehung ohne xy-Bewegung ist für ein zylindrisches, mechanisch gelagertes Teil in dem US-P 3745 433 beschrieben. Derartige Bewegungen werden auch nach dem Reluktanzprinzip, z. B. in DD-WP 134 900, beschrieben, wobei die erreichbare Schrittweite durch die Herstellungsmöglichkeit der Zahnstrukturen bis 10 jxai nur für grobe Auflösungen ausreicht.

Ziel der Erfindung ist es, einen xy-Flächenantrieb mit begrenzter Ϋ -Drehung und z-Verschiebung zu schaffen, mit dem sich definierte x-y- ψ -Bewegungen ohne Bewegungswandler und -übertragungsglieder sowie ohne mechanische xy Ϋ -Führung in einer Ebene und ζ-Verse hiebungen mit mechanischer Führung bis zu einigen Millimetern in einer dazu orthogonalen Richtung, auch mit kleinsten Schrittweiten, durch inkremental geregelte Betriebsweise unter 1 pm und kleinsten Drehwinkeln unter 10" im Drebwinkelbereich bis 100° bei geringem mechanischen Herstellungs-, Spulen- und Regelungsaufwand sowie großer wirksamer Spulenlänge und kleiner flächenmäßiger Dimension pro xyf-Bewegungsfläche realisieren lassen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen xy-Flächenantrieb mit begrenzter / -Drehung und z-Verschiebung zu

4393

schaffen, der definierte x-y- ^-Bewegungen ohne Bewegungswandler und -übertragungsglieder sowie ohne mechanische xy ^-Führungen in einer Ebene und z-Verschiebungen mit mechanischer Führung bis zu einigen Millimetern in einer dazu orthogonalen Richtung, auch mit kleinsten Schrittweiten, durch inkremental geregelte Betriebsweise unter 1 /im und kleinsten Drehwinkeln unter 10" im Drehwinkelbereich bis 100° bei geringem mechanischen Herstellungs-, Spulen- und Regelungsauf-wand sowie großer wirksamer Spulenlänge und kleiner flächenmäßiger Dimension pro xyψ-Bewegungsfläche ermöglicht·

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß vorzugsweise unter einem Winkel von ca. 120° drei Kastenspulen mit der Mindestlänge von Bewegungsweg, Magnetbreite und Sicherheitsabstand speichenartig zwischen einem zentralen ferromagnetischen U-Profilring und einem größeren nichtferromagnetischen ringförmigen Teil jeweils mit einem Spulenabschnitt durch einen Arbeitsluftspalt eines dreiteiligen Magnetringsegmentsystems hindurchgeführt befestigt sind und daß ein zentrisch dazu angeordnetes strahlungsdurchlässiges Objektträgerteil, an dem eine Ringspule befestigt ist und das mittels einer Membranfeder im Luftspalt eines Magnetkreisringsystems geführt wird, mit den Antriebsspulen fest verbunden und in z-Richtung auslenkbar ist. Das xyψ-bewegliche Teil wird mit drei Gleitfüßen, z. B. aus PTFE, auf Gleitflächen der Grundplatte geführt. An dem ferromagnetischen U-Profilring ist die Halterung mit der Maßverkörperung des optoelektronischen Maßsystems befestigt. Die Maßverkörperung wird mit Strahlungsquellen bestrahlt und mit optoelektronischen diskreten Linienempfängern, z* B. CCD-Zeilen, abgetastet. Die Magnetringsegmentsysteme können vorteilhaft als Doppelsysteme zur doppelten Spulenausnutzung ausgeführt werden. Zur Erweiterung der Objektpositionierung kann erfindungsgemäß die xyψz-bewegte Fläche über ein optisches System ausgewertet werden, indem durch ein drehbares optisches Bauteil, z. B. ein Dove'sches Wendeprisma, eine Bilddrehung

4393

um eine feststehende optische Achse realisiert wird und damit eine xyz '/^ ^-Positionierung möglich wird. Weiterhin ist es vorteilhaft die Maßverkörperung mit einer optischen Abbildungseinrichtung vergrößernd auf die CCD-Zeilen abzubilden, um die Auflösung des Systems zu erhöhen»

Zum Erreichen einer bestimmten Sollposition in x, y, <*f •werden dem !«geregier die entsprechenden digitalen Steuersignale zugeführt, die dieser mit den digitalen Ortssignalen des optoelektronischen Meßsystems, ζ. B. wie es im DD-WP 146525 für eine x, y-Bewegung beschrieben ist, vergleicht und entsprechend der vorhandenen Regelabweichung die zugehörigen Spulen an vorhandene Spannungsquellen der notwendigen Polarität und Spannung mit äquivalentem Pulsbreitenverhältnis anschließt· Die Lageinformation des MeB-systems wird dabei über einen Mikrorechner bzw· Signalprozessor gewonnen und kann auch über einen Mikrorechnerregler ausgewertet werden. Pur die z-Koordinatenverschiebung werden erfindungsgemäß die Signale eines Objektscharf eanalysators entsprechend der Abweichung vom möglichen Optimum über einen Regler ausgewertet und die optimale Lage angefahren oder es wird ein Einkoordinatenmeßsystem integriert, um dann vorgegebene Positionen wieder, der Betriebsweise bei der xy ^rf -Bewegung entsprechend, erreichen zu können. Die erreichte z-Position muß außer in der Uullage der belasteten Membranfeder durch Erzeugung einer Haltekraft des elektrodynamischen Antriebssystems gesichert werden.

Die Erfindung ist im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. In den beiliegenden Zeichnungen wird gezeigt:

Pig. 1 Prinziplösung eines xy-Flächenantriebes mit begrenzter ψ -Drehung und ζ-Versehiebung im Schnitt AA, Pig. 2 Schnitt B-B zu Fig. 1.

Auf einer ferromagnetischen Grundplatte 1 sind drei vorzugsweise unter einem Winkel von ca. 120° angeordnete Mag-

4393

netringsegmentsysterne 2 befestigt. Auf der ferromagnetischen Grundplatte 1 wird ein xyψ -bewegliches Teil 3 auf drei Gleitfüßen 4, z. B. aus PTFE, geführt· Das xyf -bewegliche Teil 3 ist über drei vorzugsweise unter einem Winkel von ca. 120° speichenförmig angeordneten Kastenspulen 5 mit einem zentralen ferromagnetischen U-Profilring 6 fest verbunden, wobei jeweils ein Abschnitt der Spulenstränge der Kastenspulen 5 mit den Spulenachsen in horizontaler Ebene durch die Arbeitsluftspalten der drei gleichmäßig polarisierten Magnetringsegmentsysteme 2 hindurchgeht· An dem zentralen ferromagnetischen U-Profilring 6 ist ein Magnetring 7 befestigt und in dem dadurch entstehenden Arbeitsluftspalt des Magnetsystems wird eine Ringspule 8, die en einer Objektträgerfassung 9 befestigt ist, durch eine Membranfeder 10 geführt, die ihrerseits in dem xyψ-beweglichen Teil 3 und der Objektträgerfassung 9 fest eingespannt ist. Die Objektträgerfassung 9» in der eine strahlungsdurchlässige Objektträgerplatte 11 befestigt iat, kann durch Anlegen einer elektrischen Spannung an die Ringspule 8 mit entsprechender Größe und Flußrichtung des Stromes in + z-Riehtung ausgelenkt werden. An dem ferromagnetischen U-Profilring 6 ist außerdem eine Halterung 12 mit einer Maßverkörperung 13 des optoelektronischen Meßsystems befestigt, wobei die Maßverkörperung mit Strehlungsquellen bestrahlt und mit CCD-Zeilen 15 abgetastet wird. Die Magnetringsegmentsysteme 2 können als Doppelsysteme mit zwei Arbeitsluftspalten zur doppelten Spulenausnutzung ausgeführt werden.

Zur Erweiterung der Objektpositioniermöglichkeiten kann das Objekt auf der xyf z-bewegten Fläche über ein optisches System ausgewertet werden, indem durch ein drehbares optisches Bauteil, z. B, ein Dove'sches Wendeprisma, eine Bilddrehung um eine feststehende optische Achse realisiert werden kann und damit eine xyz ^- Vp-Positionierung möglich wird.

Die Maßverkörperung des Meßsystems 13 kann mit einer optischen Abbildungseinrichtung vergrößernd auf die CCD-

4393

Zeilen 15 abgebildet werden, um die Auflösung des Systems zu erhöhen.

Zum Erreichen einer bestimmten Sollposition in x, y, werden einem nicht dargestellten Lageregler entsprechende Steuersignale zugeführt, die dieser mit den digitalen Ortssignalen des optoelektronischen Meßsystems 14, 15 vergleicht und entsprechend der Regelabweichung die zugehörigen Spulen an vorhandene Spannungsquellen der notwendigen Polarität und dem Potential mit äquivalentem Pulsbreitenverhältnis anschließt. Die Lageinformation des Meßsystems 14» 15 wird dabei über einen Mikrorechner bzw, Signalprozessor gewonnen und kann auch über einen Mikrorechnerregler ausgewertet werden.

Für die z-Koordinatenverschiebung werden die Signale eines ObjektschärfeanaIysators entsprechend der Abweichung vom möglichen Optimum über einen Lageregler ausgewertet und die optimale Lage angefahren oder es muß ein Einkoordinatenmeßsystem mit nur kleinem Meßbereich integriert werden, um dann vorgegebene Positionen, wieder der Betriebsweise bei der xyψ-Bewegung entsprechend, erreichen zu können. Die erreichte z-Position muß außer in der belastungsabhängigen Nullage der Merabranfeder durch Erzeugung einer Haltekraft des elektrodynamischen Antriebssystems 7, 8 gesichert werden.

4393

- Leerseite -

Claims

Pa tentans pruch

xy-Flächenantrieb mit begrenzter ψ -Drehung und z-Verschiebung bestehend aus auf einer Grundplatte angeordneten Magnetsystemen, durch deren Arbeitsluftspalt mechanisch verbundene Spulen hindurchgeführt werden, an denen Maßverkörperung für digitale Ortssignalgewinnung zur inkrementeilen xy ^-Lageregelung und mechanische Pührungsflächen für die Bewegung auf der Grundplatte befestigt sind und die mit einer in z-Richtung geführt au3lenkbaren Objektträgerplatte verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß vorzugsweise unter einem Winkel von ca· 120° drei Kastenspulen (5) speichenartig zwischen einem zentralen ferromagnetischen U-Profilring (6) und einem größeren nichtferromagnetischen ringförmigen Teil (3) jeweils mit einem Spulenabschnitt durch einen Arbeitsluftspalt eines dreiteiligen Magnetringsegmentsystems (2) hindurchgeführt befestigt sind und daß in dem ringförmigen Teil (3) eine Membranfeder (10) angeordnet ist, die an ihrem inneren Rand mit einer teilweisen strahlungsdurchlassigen Objektträgerfassung fest verbunden ist, an der eine ringförmige Spule (8) befestigt ist, die in einen Arbeitsluftspalt eines aus einem Ringsegment (7) und dem zentralen ferromagnetischen U-Profilring (6) gebildeten Magnetsystems hineinragt·

2» xy-Flächenantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetringsegmentsystern (2) zweifach übereinander zur doppelten Ausnutzung der kraftwirksamen Spulenstränge angeordnet ist»

3· xy-Flächen8ntrieb mit begrenzter Ϋ -Drehung und z-Verschiebung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,daß zur Erweiterung der Positioniermöglichkeiten, die xy ψz-bewegte Pläche im Objektträgerbereich über ein optisches System ausgewertet wird, in dem durch ein drehbares optisches Bauteil, z. B. ein Dove'sches Wendeprisma,

4393

eine Bilddrehung um eine feststehende optische Achse realisiert wird und damit eine xyzf^ ^⁵p~^I>osi^^iorLi^erunS erreichbar ist.

4· xy-3?lächenantrieb mit begrenzter '/ -Drehung und z-Verschiebung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet« daß die Maßverkörperung (13) mit einer optischen Einrichtung vergrößert auf die CCD-Zeilen abgebildet wird.

Hierzu 2 Seiten Zeichnungen.

4393