<Desc/Clms Page number 1>
Die Erfindung betrifft Vorrichtungen und Verfahren zur Bestimmung der Position von Flächenmotoren und anderen sich innerhalb einer begrenzten ebenen Fläche bewegenden Antriebseinheiten zum Zweck der Bewegungskontrolle.
Flächenmotoren sind 2-Koordinaten-Stellantriebe, die sich auf zwei unter 90 Grad gekreuzten Polsystemen auf der Lauffläche eines Stators in beiden Achsrichtungen X und Y unabhängig und gleichzeitig den jeweiligen Steuersignalen folgend fortbewegen können. Sie können dabei beliebige Bahnen beschreiben und Endpositionen anfahren, die Ausrichtung des Flächenmotors bleibt jedoch immer achsparallel und wird als Normallage bezeichnet. Würde es zu einer Drehung aus der Normallage kommen, die grössenordnungsmässig über die Polteilung hinausgeht, käme es zu einer Entkopplung der rein kraftschlüssigen Verbindung und die Antriebskraft ginge schlagartig gegen Null, und der Flächenmotor würde unkontrollierbar werden. Diese Gefahr besteht bei unsymmetrisch angreifenden äusseren Kräften.
Bei der Ausführung rein translatorischer Bewegungen kann der Flächenmotor durch Überlastung Schritte verlieren, ohne dass es zu einer Entkopplung kommen muss. Ein typischer Vertreter dieser Klasse von 2-Koordinaten-Stellantrieben wird in den US 3 376 578 A und US 3 457 482 A beschrieben, ein anderer in der Europäischen Patentanmeldung EP 207 353 A1. In den deutschen Patentschriften DE 195 41 085 C2 und DE 196 31 106 A1 und in der US 4 890 241 A kommen ebenfalls vergleichbare Stellantriebe vor.
Um einen kontrollierten Bewegungsablauf in jeder Phase der Bewegung zu gewährleisten, müssen die Position des Flächenmotors und seine Winkellage ständig gemessen werden, um mit Hilfe dieser einem Regelsystem zugeführten Positionsdaten die Einhaltung einer programmierten Bahn oder Endposition zu bewirken. Es sind im wesentlichen zwei Arten von Messverfahren für die
Position von 2-Koordinaten-Stellantrieben bekannt. Bei kleinen Verfahrwegen bis ca. 250 x 250mm wird für jede Achsrichtung ein berührungslos arbeitendes optisches Messystem, wie z.B. ein Laser- interferometer, eingesetzt. Die so erhaltenen Positionswerte sind absolut.
Der Nachteil ist der hohe
Preis und die Begrenzung der Verfahrwege dadurch, dass die Reflektoren so breit sein müssen, wie der Weg der zur Messrichtung senkrecht stehenden Achse Ein weiterer Nachteil ist, dass der optische Weg nicht unterbrochen werden darf. Das zweite Verfahren benützt den Polraster als
Massverkörperung, wobei die Position eines Sensors innerhalb einer Polperiode magnetisch oder optisch gemessen wird. Ein Beispiel mit optischer Messung ist in der US-Patentschrift
US 5 126 648 A beschrieben. Wesentlich genauer ist die Positionsmessung innerhalb der Polperi- ode mit Hilfe eines Hall-Sensors. Die Nachteile liegen vor allem in der Empfindlichkeit gegenüber
Inhomogenitäten des Polrasters und in einem abweichenden Pol-/Nutverhältnis oder in schwan- kenden Nuttiefen.
Da Flächenmotoren in der Regel auf Luftkissen gleiten, können sich auch schwankende Dicken des Luftkissens verfälschend auf das Messergebnis auswirken. Inhomogeni- täten können durch Verschmutzung der Oberfläche, Fehlen einzelner Pole oder Stossstellen der
Weicheisenblechschicht des Stators, in die die Pole eingearbeitet sind, entstehen.
Der wesentlichs- te Nachteil aller Messverfahren, die den Polraster als Massstab verwenden besteht darin, dass die erzielten Positionsmesswerte mit den Fertigungstoleranzen des Polrasters behaftet sind, was vor allem bei Abmessungen mit mehreren Metern Länge und Breite zu unbefriedigenden absoluten
Messwerten führt
Mit der Erfindung wird ein Messsystem geschaffen, das auch bei sehr grossen Verfahrwegen eingesetzt werden kann, und das vom Polraster unabhängig absolut oder inkremental Positionen und Winkellagen von Flächenmotoren misst. Es beruht auf dem Prinzip von Messarmen, mit denen
Werkstücke und 3D-Modelle vermessen und digitalisiert werden. Diese bestehen aus Armen, die durch Drehgelenke verbunden und aneinandergereiht sind, wobei für jeden Freiheitsgrad mindes- tens ein Drehgelenk vorhanden ist.
Jedes Drehgelenk ist mit einem absoluten oder inkrementalen
Drehgeber ausgerüstet, der den Winkel der beiden miteinander verbundenen Arme ermittelt und als digitalen oder analogen Messwert an einen Prozessor ausgibt, der auf Grund der bekannten
Armlängen und der Wnkel zwischen den einzelnen Armen den räumlichen Abstand zwischen dem einen Endpunkt, der fixiert ist, und dem anderen Endpunkt, der mit einer Messkugel versehen ist, die den zu messenden Punkt berührt, berechnet.
Die Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die beigeschlossenen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:
Fig 1 und 2 jeweils eine erste Ausführungsform der Erfindung schematisch im Grundriss;
Fig.3eine zweite Ausführungsform der Erfindung schematisch im Grundriss;
<Desc/Clms Page number 2>
Fig.4 eine dritte Ausführungsform der Erfindung, bei welcher zwei scherenförmige Gelenke vorgesehen sind, schematisch im Grundriss;
Fig.5 eine weitere, im wesentlichen jener der Fig.4 entsprechende Ausführungsform, bei welcher die beiden scherenförmigen Gelenke auf einem Hilfsantrieb festgelegt sind, schematisch im Grundriss ;
Fig. 6 und 7 jeweils eine fünfte Ausführungsform, bei welcher die zwischen den Schenkeln 21,21' und 22,22' liegenden Drehgelenke 7,7' fest miteinander verbunden sind, schematisch im Grundriss und
Fig.8 einen Flächenmotor samt zugehörigem Stator, ausgestattet mit einem erfindungsgemä- #en Positionsmessystem im Schrägriss.
Im Falle des Flächenmotors, der sich nur in der Ebene bewegt, kommt man mit zwei Armen und zwei Drehgebern aus. Die zwei Arme sind miteinander durch ein Drehgelenk verbunden, und die beiden anderen Enden der Arme sind über je ein Drehgelenk einerseits mit einem Fixpunkt, der als Bezugspunkt dient, und andererseits mit dem Flächenmotor verbunden, dessen Position gemessen werden soll. Die Armlängen sind so bemessen, dass der Flächenmotor jede Position innerhalb des Verfahrbereiches auf der Statorlauffläche erreichen kann. Die Längen der beiden Arme sind sinnvollerweise gleich gross, und die beiden Drehgeber an den Gelenken der Endpunkte montiert, um nicht das Zwischengelenk unnötig zu belasten.
Diese Anordnung ist in Fig. 1 dargestellt, wobei 1 der Flächenmotor, 2 die Lauffläche des Stators, 3 und 4 die Arme der Messmaschine mit den Längen a und b, 5,6 und 7 die Drehgelenke, 8 und 9 die Drehgeber, 11der Bezugspunkt des Flächenmotors, 14 und 15 die Drehwinkel der Arme 3 und 4 sind. Ferner sind die Koordinaten X und Y des Bezugspunktes 11, A und B als Versatz des Bezugspunktes 5 gegenüber dem Nullpunkt des Koordinatensystems, und Ax, Bx als Versatz des Drehpunktes 6 gegenüber dem Bezugspunkt 11 des Flächenmotors eingezeichnet. Der Motor zieht die Messmaschine mit und für jede Position auf der Lauffläche ergibt sich ein eindeutig zuordenbares Winkelpaar 14 und 15.
Auf Grund einfacher trigonometrischer Beziehungen ergeben sich die Koordinaten X=(a.cosa +b. cos#)+Cx und Y=(a.sina-b.sin#)+Cy, wobei Cx aus der vorzeichenrichtigen Addition von A+Ax und Cy aus B+By gebildet werden. Die Winkel 14 (a) und 15 (#) werden absolut oder inkremental durch die Drehgeber 8 und 9 bestimmt.
Die in den Zeichnungen nicht näher dargestellte Auswerteeinheit errechnet an Hand der eben angeführten Formeln aus den Winkeln 14,15 und aus den Längen a und b der Arme 3 und 4 und der relativen Lage des Bezugspunktes 5 die Positionskoordinaten X und Y des Punktes 6 des 2-Koordinaten-Stellantriebes 1 bezogen auf das Koordinatensystem der Lauffläche 2 des Stators.
Wenn die Gefahr des Verdrehens des Flächenmotors besteht, weil er entweder sehr grosse Abmessungen hat oder stark unsymmetrisch belastet wird, kann durch Verwendung eines dritten
Drehgebers 24 wie in Fig.3gezeigt durch einfache trigonometrische Beziehungen über den Winkel
17 der Verdrehwinkel 16 berechnet werden. Der Zweck ist es, eine beginnende Verdrehung des
Flächenmotors bereits im Ansatz zu erkennen und gegenzusteuern, bevor eine Entkopplung er- folgt. Das Gegensteuern ist allerdings nur dann möglich, wenn die an den verschiedenen Seiten liegenden Motorelemente wie unabhängige Achsen ähnlich einem Portalantrieb angesteuert wer- den können.
Um überlange Arme zu vermeiden, wie sie sich bei grossen Verfahrwegen zwangsläufig erge- ben würden, kann man gemäss Fig.3 den fixen Bezugspunkt 5 mit dem Drehgeber 8 in einer Koor- dinatenrichtung synchron mitbewegen, wobei die selbe Steuerung für die Bewegung der synchro- nen Achsen zuständig ist Obwohl man im Prinzip jeden beliebigen linearen Antrieb mit einer mechanischen Führung für diese Bewegung verwenden kann, setzt man sinnvollerweise einen einachsigen luftgelagerten Flächenmotor ein, der auf dem selben Stator gleitet. Um möglichst viel teure Lauffläche für die Flächenbewegung verwenden zu können, kann die Seitenfläche des Sta- tors mit einem eindimensionalen Polsystem versehen, und der lineare Hilfsmotor als Winkelmotor ausgebildet werden, wie dies in Fig.8gezeigt ist.
Fig.3stellt den allgemeinsten Fall dar, nach dem ein beliebiger Antrieb 10 als Hilfsantrieb mit eigener Führung den Bezugspunkt 5 synchron ver- fährt. Dieser Hilfsantrieb kann sich vollständig ausserhalb der Statorfläche 2 befinden Die Positi- onsmessung des Antriebes 10 entlang der X-Achse erfolgt mit einem Längenmesssystem beste- hend aus dem Lineal 25 und dem Messkopf 26, das optisch, induktiv oder nach einem anderen
Prinzip arbeiten kann. Die Koordinaten X und Y des Flächenmotors ergeben sich aus dem Mess-
<Desc/Clms Page number 3>
wert des Linearsystems 25,26 und den Winkeln 14 und 15 der Drehgeber 8 und 9, d. h. die X-Positionswerte des Hilfsantriebes 10 und des 2-Koordinaten-Stellantriebes 1 bezogen auf die Messmaschine sind zu addieren.
Damit wird auch eine mögliche Abweichung AX der X-Positionen des Antriebes 1 vom Antrieb 10 erfasst, wie sie durch den Versatz des Drehpunktes 6 nach 6' zum Ausdruck kommt. Zur Bestimmung des Verdrehwinkels kann wieder ein dritter Drehgeber 24 eingesetzt werden.
Insbesondere bei Flächenmotoren mit grossen Abmessungen oder länglicher Form kann es sinnvoll oder notwendig sein, den Verdrehwinkel durch Messung der Position von zwei an entgegengesetzten Enden des Motors liegenden Punkten zu bestimmen. Fig. 4 zeigt eine derartige Anordnung mit einer zweiten Messmaschine mit den Armen 12 und 13 und den Gelenken 18,19,20, wobei wieder zwei Drehgeber je Messmaschine verwendet werden. Der Vorteil gegenüber der Anordnung nur einer Messmaschine mit drei Drehgebern ist, dass bei Bedarf eine zweite identische Messmaschine hinzugefügt werden kann.
In Fig.5 ist die Anordnung dargestellt, in welcher auch im Falle des Hilfsantriebes 10 zwei Messmaschinen verwendet werden können.
Um eine Verdrehung überhaupt zu verhindern, kann der Flächenmotor zwangsweise parallel geführt werden, indem die beiden Messmaschinen durch eine Querverbindung 23 zwischen den Drehgelenken 7 und 7' als Parallelogramm ausgebildet werden, wie Fig. 6 zeigt.
Eine solche Querverbindung 23 kann auch dann eingesetzt werden, wenn die fixen Bezugspunkte 5,5' nicht auf einem Flächenmotor 10, sondern-so wie in Fig.4 dargestellt- unbeweglich gehalten sind.
Wird eine solche Querverbindung 23 eingesetzt, ist eine Verdrehung des Flächenmotors 1 ausgeschlossen. Jedes in den Fig.5, 6 und 7 vorgesehene Drehgeber-Paar 8,9 bzw. 18,19 liefert damit dasselbe Ergebnis Hieraus folgt, dass-abweichend von den Darstellungen der Fig.5, 6 und 7- nicht mehr vier Drehgeber 8,9,18,19 vorgesehen sein müssen, sondern nur noch ein Paar dieser Drehgeber 8,9 oder 18,19.
In Fig.7ist eine Ausführung gezeigt, bei der die Drehgelenke 5,5',6,6' und ihre korrespondie- renden Drehgelenke 27,27' und 28,28' schräg versetzt, letztere auf einer Gelenkplatte 23, angeordnet sind Dies hat den Vorteil, dass sich die Motoren 1 und 10 beliebig nahe kommen können, dass also die Statorfläche so weit wie möglich als Verfahrfläche ausgenutzt wird.
Fig.8zeigt eine typische Überkopf-Anwendung mit einem seitlich genuteten Stator, wie sie be- sonders für die Laserbearbeitung vorteilhaft ist. Der Antrieb 10 ist ein luftgelagerter, winkelförmiger
Linearmotor 10, der sowohl das gekreuzte Polsystem der Lauffläche des Stators 2, als auch das lineare Polsystem der Seitenfläche des Stators 2 verwendet. Die Position des Linearmotors entlang seiner Bewegungsrichtung wird durch das Linearmessystem 25,26 gemessen. Die beiden Arme 3, und 4 verbinden die Motoren 1 und 10, und die Drehgeber 8 und 9 sind in die Drehgelenke der
Antriebe 1 und 10 integriert. Da der Antrieb 10 als Linearmotor ausgeführt wird, vereinfacht sich die
Anordnung durch den Wegfall einer eigenen Fuhrung und eines eigenen Motorantnebes.
PATENTANSPRÜCHE:
1. Positionsmesssystem für einen 2-Koordinaten-Stellantrieb (1) der sich innerhalb der Lauf- fläche (2) eines Stators entsprechend den Befehlen einer Steuerung im wesentlichen achsparallel bewegt, gekennzeichnet durch ein scherenförmiges Gelenk mit den drehbar verbundenen Armen (3 und 4), deren äussere Enden einerseits drehbar in einem als Refe- renzpunkt dienenden Bezugspunkt (5) und andererseits drehbar im Punkt (6) am 2-Koor- dinaten-Stellantrieb (1) befestigt sind, wobei in zwei der drei Drehgelenke (5,6 und 7) ab- solute oder inkrementale Drehgeber (8 und 9) montiert sind, welche den Winkel (14) zwi- schen dem Arm (3) und einer ersten, parallel zu einer der beiden Bewegungsrichtungen verlaufenden Bezugslinie und gleichzeitig den Winkel (15) zwischen dem Arm (4) und einer weiteren,
parallel zur ersten Bezugslinie verlaufenden Bezugslinie direkt oder indirekt messen und die Messwerte an eine Auswerteeinheit übermitteln.