DE10128175A1 - Vorrichtung zur hochgenauen Verstellung und Positionierung einer Magnetstruktur - Google Patents

Abstract

Zu einer Vorrichtung zur hochgenauen Verstellung und Positionierung einer Magnetstruktur (1) gehört eine Antriebseinrichtung (2), mittels der die Magnetstruktur (1) verstell- und positionierbar ist. Um die Magnetstruktur hochgenau zu verstellen und positionieren zu können, wobei eine Positionsgenauigkeit erreichbar sein soll, die Abweichungen von weniger als 1 mum aufweist, wobei während des Verstellvorgangs Maximalabweichungen von 10 mum erlaubt sein sollen, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß die Antriebseinrichtung (2) mehrere Antriebseinheiten (3, 4, 5, 6) aufweist, die mechanisch voneinander getrennt und mit der Magnetstruktur (1) verbunden sind und die jeweils einzeln und in Abhängigkeit voneinander geregelt - und somit quasi durch eine elektrische Welle verbunden - auf einen vorgebbaren Sollwert verfahrbar sind.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur hochge­ nauen Verstellung und Positionierung einer Magnetstruktur mit einer Antriebseinrichtung, mittels der die Magnetstruktur verstell- und positionierbar ist.

Bei bekannten derartigen Vorrichtungen gehören zur Antriebs­ einrichtung eine Vielzahl von Stellgliedern, die mittels Wel­ len und Umlenkgetrieben mit einer Motoreinheit verbunden sind, so daß bei einer Verstellung bzw. bei einer Positionie­ rung einer Magnetstruktur nur vergleichsweise geringe Genau­ igkeiten erreichbar waren, wobei darüber hinaus aufgrund der bei der Fertigung der mechanischen Komponenten vorhandenen Toleranzen vergleichsweise große maximale Abweichungen wäh­ rend des Verstellvorgangs der Magnetstruktur auftreten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur hochgenauen Verstellung und Positionierung einer Magnet­ struktur zu schaffen, bei der die Abweichungen von der ge­ wünschten hochgenauen Positionierung niedriger als 1 µm liegen und bei der darüber hinaus während des Verstellvorgangs maxi­ male Abweichungen von 10 µm auftreten.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Antriebseinrichtung mehrere Antriebseinheiten aufweist, die mechanisch voneinander getrennt und mit der Magnetstruktur verbunden sind, und die jeweils einzeln und in Abhängigkeit voneinander geregelt auf einen vorgebbaren Sollwert verfahr­ bar sind. Die beim Stand der Technik vorhandenen mechanischen Verbindungen zwischen den einzelnen Stellgliedern werden im Falle der erfindungsgemäßen Vorrichtung quasi durch eine elektrische Welle ersetzt, welche mechanische Verbindungsele­ mente überflüssig macht und darüber hinaus eine höhere Genau­ igkeit und Exaktheit der Verstellbewegungen und damit der Po­ sitionierung der Magnetstruktur sichert.

Eine reproduzierbare Regelgröße für den Verstell- bzw. den Positioniervorgang wird in einfacher Weise dadurch zur Verfü­ gung gestellt, daß jeder Antriebseinheit der Antriebseinrich­ tung ein Längenmeßgerät zugeordnet ist, mittels dem die je­ weilige Position der Magnetstruktur erfassbar ist, die ent­ sprechend als reproduzierbare Regelgröße für den Betrieb der dem jeweiligen Längenmeßgerät zugeordneten Antriebseinheit fungiert. Als Längenmeßgerät können beispielsweise hochgenaue Längenmeßgeräte der Firma Heidenhain eingesetzt werden.

Der geforderte dynamische Gleichlauf bei der Verstellung bzw. der Positionierung der Magnetstruktur läßt sich in wenig auf­ wendiger Weise erreichen, wenn eine Antriebseinheit der An­ triebseinrichtung und das dieser Antriebseinheit zugeordnete Längenmeßgerät an eine Dispatcher-Einheit angeschlossen sind, die ihrerseits mittels eines getakteten Bussystems mit einer Steuervorrichtung verbunden ist, die übrigen Antriebseinhei­ ten der Antriebseinrichtung und die ihnen zugeordneten Län­ genmeßgeräte an jeweils eine Transceiver-Einheit angeschlos­ sen sind, die ihrerseits mittels eines Profibus mit der Steu­ ervorrichtung verbunden sind und die Dispatcher-Einheit mit­ tels eines weiteren betakteten Bussystems mit den Transcei­ ver-Einheiten verbunden ist.

Das die Dispatcher-Einheit an die Steuervorrichtung anschlie­ ßende getaktete Bussystem ist vorteilhaft als Profibus-CBP2-FO ausgebildet.

Des weiteren ist das die Dispatcher-Einheit mit den Transcei­ ver-Einheiten verbindende getaktete Bussystem als SIMOLINK ausgebildet.

Als geeignete Steuervorrichtung hat sich eine solche der Bauart SIMATIC S7-400 erwiesen.

Die Steuervorrichtung ist zweckmäßigerweise über einen Server-PC an ein Bedien- und Beobachtungsterminal angeschlos­ sen, mittels dem Sollwerte für die Verstellung der Magnet­ struktur vorgebbar sind.

Mittels einer Steuervorrichtung kann eine Vielzahl An­ triebseinrichtungen gesteuert und damit eine entsprechende Vielzahl Magnetstrukturen geregelt verstellt bzw. positio­ niert werden.

Zweckmäßigerweise weist jede Antriebseinrichtung vier An­ triebseinheiten auf.

Die Längenmeßgeräte können jeweils einen Glasmaßstab mit vor­ zugsweise sieben Spuren unterschiedlicher Teilungsperiode aufweisen, mittels dem ein Absolutwert aus vorzugsweise sie­ ben Inkrementalspuren bildbar ist, wobei aus Abtastsignalen aller vorzugsweise sieben Spuren eine Position im Meßbereich eindeutig kennzeichenbar ist.

Erfindungsgemäß wird durch die Verwendung getakteter Daten­ busse bzw. getakteter Bussysteme eine geregelte Positionie­ rung einer Magnetstruktur herbeigeführt, wobei mechanische Toleranzen eliminiert werden und gleichzeitig jedwede Anfor­ derungen an den Gleichlauf mehrerer einer Magnetstruktur zu­ geordneter Antriebseinheiten erfüllt werden.

Im folgenden wird die Erfindung an Hand einer Ausführungsform unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine Prinzipdarstellung einer Vorrichtung zur hoch­ genauen Verstellung und Positionierung von Magnet­ strukturen in einer erfindungsgemäßen Ausführungs­ form;

Fig. 2 eine perspektivische Darstellung einer Magnetstruk­ tur, die mittels einer erfindungsgemäßen Vorrich­ tung zur hochgenauen Verstellung und Positionierung verstellbar ist; und

Fig. 3 eine Prinzipdarstellung eines Längenmeßgeräts der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Eine in Fig. 1 prinzipiell dargestellte erfindungsgemäße Vor­ richtung zur hochgenauen Verstellung und Positionierung von Magnetstrukturen 1 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel so ausgebildet, daß mittels ihr eine Vielzahl von in Fig. 1 lediglich angedeuteten Magnetstrukturen 1 verstellt und posi­ tioniert werden kann. Hierbei ist eine exakte Positionierung der Magnetstrukturen 1 möglich, wobei die Abweichungen von der angestrebten Positionierung kleiner als 1 µm sind. Wäh­ rend des Verstell- bzw. Positioniervorgangs treten maximale Abweichungen von 10 µm auf.

Im dargestellten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist jeder Magnetstruktur 1, wie sich aus den Fig. 1 und 2 ergibt, eine Antriebseinrichtung 2 zugeordnet, die vier Antriebseinheiten 3, 4, 5, 6 aufweist. Die Antriebsein­ heiten 3, 4, 5, 6 sind nicht über Wellen, Umlenkgetriebe od. dgl. mechanisch miteinander verbunden; dahingegen ist jede Antriebseinheit 3, 4, 5, 6 über eine mechanische Kopplung, beispielsweise einen Spindeltrieb od. dgl., der in den FIGUREN nicht dargestellt ist, mit der Magnetstruktur 1 verbunden.

Die Verbindung zwischen den vier Antriebseinheiten 3, 4, 5, 6 jeder Antriebseinrichtung 2 erfolgt quasi mittels einer elektrischen Welle, durch die mechanische Bauteile ersetzt sind. Diese quasi elektrische Welle wird im folgenden hin­ sichtlich ihrer Ausgestaltung und ihrer Funktion näher erläu­ tert.

Die Antriebseinheit 3 der Antriebseinrichtung 2 ist an eine Dispatcher-Einheit 7 angeschlossen. Des weiteren ist an diese Dispatcher-Einheit 7 ein der Antriebseinheit 3 zugeordnetes Längenmeßgerät 8 angeschlossen, mittels dem die durch die An­ triebseinheit 3 bewirkte Verstellung bzw. Positionierung der Magnetstruktur 1 erfaßbar ist.

Die Dispatcher-Einheit 7 ist über ein optisches Verbindungs­ modul OLM 9 an ein als Profibus-CBP2-FO ausgebildetes getak­ tetes Bussystem 10 und damit an eine vorzugsweise als SIMATIC S7-400 ausgebildete Steuervorrichtung 11 angeschlossen. Diese Steuervorrichtung 11 wiederum ist über einen Server-PC 12 mit einem Bedien- und Beobachtungsterminal 13 verbunden, über den eine Bedienungsperson Sollwerte für die Verstellung der je­ weiligen Magnetstruktur 1 in die Steuervorrichtung 11 einge­ ben kann. Die Dispatcher-Einheit 7 formt aus den vorgegebenen Sollwertsprüngen zeitlich kontinuierlich sich verändernde Sollwerte für den Antrieb 3.

Die anderen drei Antriebseinheiten 4, 5, 6 der Antriebsein­ richtung 2 sind jeweils an eine Transceiver-Einheit 14, 15, 16 angeschlossen; des weiteren ist jeder dieser drei An­ triebseinheiten 4, 5, 6 ein Längenmeßgerät 17, 18, 19 zuge­ ordnet, das ebenfalls mit der jeweiligen Transceiver-Einheit 14, 15, 16 verbunden ist. Die Transceiver-Einheiten 14, 15, 16 sind über optische Verbindungsmodule OLM 20 an einen Pro­ fibus 21, der vorzugsweise als Profibus-DP ausgebildet ist, und damit an die als SIMATIC S7-400 ausgebildete Steuervor­ richtung 11 angeschlossen. Hierdurch können Meldungen, Meß­ werte, Parameter etc. zur Steuervorrichtung 11 übertragen werden.

Die Dispatcher-Einheit 7 ist mittels eines weiteren getakte­ ten Bussystems 22, das vorzugsweise als SIMOLINK ausgebildet ist, mit den drei Transceiver-Einheiten 14, 15, 16, die den Antriebseinheiten 4, 5, 6 der Antriebseinrichtung 2 zugeord­ net sind, verbunden. Über dieses Bussystem 22 werden die kon­ tinuierlichen Sollwertänderungen von der Dispatcher-Einheit 7 an die Transceiver-Einheiten 14, 15, 16 weitergegeben. Das als SIMOLINK ausgebildete getaktete Bussystem 22 wirkt auf diese Weise wie eine "elektrische Welle".

Die je Magnetstruktur 1 vorgesehenen vier Antriebseinheiten 3, 4, 5, 6 sind - geregelt durch die Steuervorrichtung 11 und die Dispatcher-Einheit 7 bzw. die Transceiver-Einheiten 14, 15, 16 - auf die vorgegebenen Sollwerte verfahrbar. Der ge­ forderte dynamische Gleichlauf beim Verstellvorgang, bei dem eine maximale Abweichung von 10 µm erlaubt ist, wird durch die beiden getakteten Bussysteme 10, 22 erreicht. Als repro­ duzierbare Regelgröße bei der Verstellung bzw. der Positio­ nierung der Magnetstruktur 1 dienen die von den Längenmeßge­ räten 8, 17, 18, 19 erfaßten Verstellwege.

Bei jedem Längenmeßgerät 8, 17, 18, 19 handelt es sich um ein hochgenaues Längenmeßsystem, z. B. der Firma Heidenhain, das, wie in Fig. 3 dargestellt, einen Glasmaßstab 23 mit vorzugs­ weise sieben Spuren unterschiedlicher Teilungsperiode auf­ weist. Dieses Längenmeßgerät 8, 17, 18, 19 bildet aus den Ab­ tastsignalen der sieben Spuren einen Absolutwert, der einer Position innerhalb der Meßlänge des jeweiligen Längenmeßge­ räts 8, 17, 18, 19 entspricht.

Beispielsweise kann die feinste Spur eine Teilungsperiode von 16 µm aufweisen, so daß sich über eine Meßlänge von 3 m ein Absolutwert mit einer Auflösung von 0,1 µm und kleiner reali­ sieren läßt.

Die Übertragung des Absolutwertes vom Längenmeßgerät 8, 17, 18, 19 zur Steuervorrichtung 11 kann seriell über ein EnDat- Interface erfolgen.

Mittels der Längenmeßgeräte 8, 17, 18, 19 sind - bei entspre­ chenden Anforderungen - zur absoluten Positionsinformation sinusförmige Inkrementalsignale mit einer Signalperiode von 16 µm und Pegeln von 1 Vss lieferbar.

Claims (10)

1. Vorrichtung zur hochgenauen Verstellung und Positionie­ rung einer Magnetstruktur (1), mit einer Antriebseinrichtung (2), mittels der die Magnetstruktur (1) verstell- und positi­ onierbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebsein­ richtung (2) mehrere Antriebseinheiten (3, 4, 5, 6) aufweist, die mechanisch voneinander getrennt und mit der Magnetstruk­ tur (1) verbunden sind, und die jeweils einzeln und in Abhän­ gigkeit voneinander geregelt auf einen vorgebbaren Sollwert verfahrbar sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der jeder Antriebsein­ heit (3, 4, 5, 6) der Antriebseinrichtung (2) ein Längenmeß­ gerät (8, 17, 18, 19) zugeordnet ist, mittels dem die jewei­ lige Position der Magnetstruktur (1) erfaßbar ist, die als reproduzierbare Regelgröße für den Betrieb der dem jeweiligen Längenmeßgerät (8, 17, 18, 19) zugeordneten Antriebseinheit (3, 4, 5, 6) fungiert.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, bei der eine Antriebsein­ heit (3) der Antriebseinrichtung (2) und das dieser Antriebs­ einheit (3) zugeordnete Längenmeßgerät (8) an eine Dispat­ cher-Einheit (7) angeschlossen sind, die ihrerseits mittels eines getakteten Bussystems (10) mit einer Steuervorrichtung (11) verbunden ist, bei der die übrigen Antriebseinheiten (4, 5, 6) der Antriebseinrichtung (2) und die ihnen zugeordneten Längenmeßgeräte (17, 18, 19) an jeweils eine Transceiver- Einheit (14, 15, 16) angeschlossen sind, die ihrerseits mit­ tels eines Profibus (21) mit der Steuervorrichtung (11) ver­ bunden sind, und bei der die Dispatcher-Einheit (7) mittels eines weiteren getakteten Bussystems (22) mit den Transcei­ ver-Einheiten (14, 15, 16) verbunden ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, bei der das die Dispatcher- Einheit (7) an die Steuervorrichtung (11) anschließende ge­ taktete Bussystem (10) als Profibus-CBP2-FO ausgebildet ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, bei der das die Dispatcher-Einheit (7) mit den Transceiver-Einheiten (14, 15, 16) verbindende getaktete Bussystem (22) als SIMOLINK ausge­ bildet ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, bei der die Steuervorrichtung (11) als SIMATIC S7-400 ausgebildet ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, bei der die Steuervorrichtung (11) über einen Server-PC (12) an ein Bedien- und Beobachtungsterminal (13) angeschlossen ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 7, bei dem die Steuervorrichtung (11) eine Vielzahl Antriebseinrichtun­ gen (2) steuert.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei der jede Antriebseinrichtung (2) vier Antriebseinheiten (3, 4, 5, 6) aufweist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 9, bei der die Längenmeßgeräte (8, 17, 18, 19) jeweils einen Glasmaßstab (23) mit vorzugsweise sieben Spuren unterschiedlicher Tei­ lungsperiode aufweisen, mittels dem ein Absolutwert aus vor­ zugsweise sieben Inkrementalspuren bildbar ist, wobei aus Ab­ tastsignalen aller vorzugsweise sieben Spuren eine Position im Meßbereich eindeutig kennzeichenbar ist.