DE69635357T2 - Methode und Vorrichtung zur räumlichen Ausrichtung - Google Patents

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Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf eine Ausrichtvorrichtung und ein -verfahren für ein bewegliches Bauteil und genauer auf eine Ausrichtvorrichtung und ein -verfahren für ein bewegliches Bauteil, das eine Ausrichtung mit hoher Präzision erfordert.
  • 4 zeigt ein Beispiel eines X-Y-Gestells einer Ausrichtvorrichtung. Bezugnehmend auf 4 bezeichnet Bezugszeichen 71 ein X-Gestell; und 72 ein Y-Gestell, die von einer Basis B gestützt werden; 73 bezeichnet eine Seitenführung, 74 ein Luftpolster; 75 einen Linearmotor zum Antreiben des X-Gestells; 76 einen Linearmotor zum Antreiben des Y-Gestells; 77 einen Messspiegel; 78 eine Positionsmessungs-Spiegeloberfläche des Y-Gestells; 79 eine Positionsmessungs-Spiegeloberfläche des X-Gestells; 80 ein von einem Laserinterferometer emittierter Positionsmess-Laserstrahl des X-Gestells; und 81 ein von einem Laserinterferometer emittierter Positionsmessungs-Laserstrahl des Y-Gestells. Das X-Gestell 71 und das Y-Gestell 72 sind jeweils Direktantriebsgestelle, die von einem Linearmotor unter Verwendung eines statischen Luftdruckpolsters angetrieben werden. Der von dem Laserinterferometer emittierte Positionsmess-Laserstrahl 80 des X-Gestells wird auf die Positionsmessungs-Spiegeloberfläche 79 des X-Gestells gestrahlt, um die Position des X-Gestells 71 zu messen, und das X-Gestell 71 wird auf eine Zielposition ausgerichtet. Der von dem Laserinterferometer emittierte Positionsmess-Laserstrahl 81 des Y-Gestells wird auf die Positionsmess-Spiegeloberfläche 78 des Y-Gestells gestrahlt, um die Position des Y-Gestells 72 zu messen, und das Y-Gestell 72 wird auf eine Zielposition ausgerichtet.
  • 5 ist ein Blockschaltbild einer Ausrichtvorrichtung zur Steuerung des X-Y-Gestells mit dem in 4 gezeigten X-Gestell 71 und dem Y-Gestell 72. Bezugnehmend auf 5 bezeichnet das Bezugszeichen 1 ein X-Y-Gestell mit dem X-Gestell 71 und dem Y-Gestell 72; 2 einen Motor zum Antreiben des X-Y-Gestells 1; 3 eine Antriebseinrichtung zum Zuführen eines Stroms zu dem Motor 2; 4 einen Kompensator, der zur stabilen Steuerung mit hoher Präzision des X-Y-Gestells 1 Verwendung findet; 5 eine Subtraktionseinrichtung zur Berechnung der Differenz zwischen der gegenwärtigen Position und der Zielposition; 6 ein Laserinterferometer zur Messung der Position des X-Y-Gestells 1; und 7 ein Register zum Halten der Zielposition. Es ist zu beachten, dass die Transferfunktion des Kompensators 4 nachfolgend durch die Gleichung (1) in Falle von beispielsweise einer PID-Steuerung ausgedrückt werden kann:
    Figure 00020001
    wobei s ein Laplace-Operator ist.
  • Herkömmlicherweise sind bei einer derartigen Ausrichtvorrichtung die Verstärkungen beispielsweise kp, ki und kd des Kompensators 4 unabhängig von der gegenwärtigen Position des X-Y-Gestells 1 festgelegt.
  • Die mechanischen Eigenschaften des X-Y-Gestells 1 ändern sich jedoch unvermeidbar abhängig von der gegenwärtigen Position des X-Y-Gestells.
  • Aus diesem Grund kann bei dem zuvor erwähnten Beispiel die Ausrichtpräzision an einer gewissen Position gut sein, jedoch kann das System bei einer anderen Position instabil werden und schwingen, da die Verstärkungen des Kompensators 4 unabhängig von der gegenwärtigen Position des X-Y-Gestells 1 festgelegt sind. Werden die Verstärkungen vermindert, um das System an jeder Position zu stabilisieren, verschlechtert sich die Ausrichtpräzision.
  • Die Erfindung wurde in Anbetracht des herkömmlichen Problems vorgenommen und hat als ihre Aufgabe, eine Ausrichtvorrichtung zur Verfügung zu stellen, die stabil ist und hohe Präzision bei jeder Position des X-Y-Gestells sicherstellt.
  • Die US-A-4710865 offenbart ein Bewegungssteuersystem, bei dem auf der Grundlage der Differenz zwischen einer Zielposition und einer gegenwärtigen Position eines Gestells ein Geschwindigkeitssteuermodus oder ein Positionssteuermodus ausgewählt wird.
  • Die JP-A-06297058 beschreibt ein Maschinenwerkzeug mit orthogonalen Schlitten, wobei eine X-Achsen-Servoeinrichtung auf der Grundlage einer X-Achsen-Position gesteuert wird.
  • Um das zuvor erwähnten Probleme zu lösen, ist eine Ausrichtvorrichtung der Erfindung wie gemäß Anspruch 1 dargelegt bereitgestellt. Zusätzliche Merkmale sind in den abhängigen Ansprüchen dargelegt.
  • Nun werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung beschrieben. Es zeigen:
  • 1 ein Blockschaltbild, das eine Anordnung einer Ausrichtvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt;
  • 2 ein Graph, der ein Beispiel einer Proportional-Verstärkung kp(x, y) als ein Element der Transferfunktion zeigt, das durch eine Verstärkungsfestlegungseinrichtung auf der Grundlage der Position eines X-Y-Gestells 1 festgelegt wird;
  • 3 eine Ansicht zur Erläuterung eines Verfahrens zum Festlegen der Transferfunktion gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung, d.h. ein Verfahren zum Festlegen der jeweiligen Elemente der Transferfunktion durch nachschlagen in einer Tabelle;
  • 4 eine perspektivische Ansicht, die die Anordnung eines X-Y-Gestells zeigt, auf die die Erfindung angewendet werden kann; und
  • 5 ein Blockschaltbild, das die Anordnung einer herkömmlichen Ausrichtvorrichtung zeigt.
  • 1 ist ein Blockschaltbild, das eine Ausrichtvorrichtung zum Ausrichten eines in 4 gezeigten X-Y-Gestells gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt. Bezugnehmend auf 1 bezeichnet das Bezugszeichen 1 ein X-Y-Gestell mit dem X-Gestell 71 und dem Y-Gestell 72; 2 einen Motor zum Antreiben des X-Y-Gestells 1; 3 eine Antriebseinrichtung zum Zuführen eines Stroms zu dem Motor 2; 4 einen Kompensator, der zur stabilen Steuerung des X-Y-Gestells 1 mit hoher Präzision Verwendung findet; 5 eine Subtraktionseinrichtung zur Berechnung der Differenz zwischen der gegenwärtigen Position und der Zielposition; 6 ein Laserinterferometer zur Messung der Position des X-Y-Gestells 1; 7 ein Register zum Halten der Zielposition; und 8 eine Verstärkungsfestlegungseinrichtung zum dynamischen Festlegen der Transferfunktion Gxy(s) des Kompensators 4 entsprechend der gegenwärtigen Position des X-Y-Gestells 1.
  • Die Position P(x, y) des X-Y-Gestells 1 wird von dem Laserinterferometer 6 gemessen und die Abweichung S(x, y) von einer Zielposition D(x, y) wird von der Subtraktionseinrichtung 5 berechnet. Die Abweichung S(x, y) wird in eine Anweisung V(x, y) umgewandelt, um durch den Kompensator 4 an die Antriebseinrichtung 3 zugeführt zu werden, und die Antriebseinrichtung 3 führt dem Motor 2 gemäß der Anweisung V(x, y) einen Strom I zu, wodurch das X-Y-Gestell auf die Zielposition ausgerichtet wird.
  • Die Verstärkungsfestlegungseinrichtung 8 legt die Transferfunktion Gxy(s) des Kompensators 4, die nachfolgend durch die Gleichung (2) gegeben ist, gemäß der Position P(x, y) des X-Y-Gestells 1 fest:
    Figure 00050001
    wobei kp(x, y), ki(x, y) und kd(x, y) jeweils die Proportional-, Integral- und Differential-Verstärkungen sind und zweidimensionale Funktionen der Position P(x, y) des X-Y-Gestells 1 darstellen. Es ist zu beachten, dass verschiedene Transferfunktionen Gxy(s) für die X- und Y-Gestelle 71 und 72 festgelegt werden können. Bei der folgenden Beschreibung sei jedoch angenommen, dass die X- und Y-Gestelle 71 und 72 durch eine identische Transferfunktion Gxy(s) gesteuert werden.
  • 2 zeigt ein Beispiel der Proportional-Verstärkung kp(x, y), die nachfolgend durch die Gleichung (3) ausgedrückt wird. Bei einem in 2 veranschaulichten Beispiel fällt der Bewegungsbereich der beiden X- und Y-Gestelle 71 und 72 in die Reichweite von –100 bis 100.
  • Figure 00060001
  • Bei dieser Gleichung wird die Verstärkung umso niedriger, je näher sich das X-Y-Gestell 1 den vier Ecken der Bewegungsreichweite nähert. Die Integral-Verstärkung ki(x, y) und die Differential-Verstärkung kd(x, y) werden in ähnlicher Weise nachfolgend durch die Gleichungen (4) und (5) ausgedrückt:
  • Figure 00060002
  • Gemäß der Verstärkung kp(x, y), ki(x, y) und kd(x, y) dieses Kompensators 4 ändern sich die Verstärkungen entsprechend der mechanischen Eigenschaften gemäß der Position des X-Y-Gestells 1, auch auf dem X-Y-Gestell 1, dessen mechanische Eigenschaften (z.B. Dämpfungsfaktor) sich verschlechtern, sowie sich die Position des X-Y-Gestells 1 den vier Ecken der Bewegungsreichweite nähert. Aus diesem Grund kann ein stabiles Verhalten mit hoher Präzision unabhängig von der gegenwärtigen Position des X-Y-Gestells 1 erlangt werden. Es ist zu beachten, dass andere Gleichungen als die Gleichungen (2) bis (5) entsprechend der Eigenschaften eines Steuersystems angewendet werden können.
  • Die Transferfunktion Gxy(s) des Kompensators 4 kann durch Nachschlagen in einer Tabelle festgelegt werden. Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel beschrieben, bei dem jedes Element (z.B. die Proportional-Verstärkung) der Transferfunktion Gxy(s) des Kompensators 4 durch Nachschlagen in einer Tabelle festgelegt wird. Bei diesem Ausführungsbeispiel sei angenommen, dass eine Vielzahl von Bereichen durch Unterteilen der Bewegungsreichweite des X-Y-Gestells 1 erlangt wird und die Transferfunktion durch Nachschlagen in einer Tabelle festgelegt wird, die bevorzugte Verstärkungswerte kij speichert, die verwendet werden, wenn sich das X-Y-Gestell 1 in den jeweiligen Bereichen befindet. 3 zeigt die bei der Verstärkungsfestlegungseinrichtung 8 zugewiesene Tabelle. Eine Tabelle 30 enthält den jeweils unterteilten Bereichen entsprechende Verstärkungen k11 bis k33. Unter Verwendung dieser Tabelle 30 legt die Verstärkungsfestlegungseinrichtung 8 die Verstärkung k entsprechend der mechanischen-Eigenschaften in einem Bereich fest, in dem sich das X-Y-Gestell 1 gegenwärtig befindet, womit ein stabiles Ausrichtverhalten mit hoher Präzision unabhängig von der gegenwärtigen Position des X-Y-Gestells 1 erlangt wird. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel kann die Verstärkungsfestlegungseinrichtung durch einen Mikroprozessor mit einer geringen Verarbeitungsleistungsfähigkeit oder eine einfache Hardwareanordnung gebildet werden, da die Verstärkung kij einfach durch Nachschlagen in der Tabelle 30 entsprechend der Position des X-Y-Gestells 1 erlangt wird. Wenn die Proportional-, Integral- und Differential-Verstärkungen durch Nachschlagen in einer Tabelle festgelegt werden, können die Tabellen 30 entsprechend dieser Verstärkungen festgelegt werden. In 3 ist jedoch zur Vereinfachung nur eine Tabelle dargestellt.
  • Bei der vorangehenden Beschreibung wird die Erfindung auf eine X-Y-Gestell-Ausrichtvorrichtung auf der Grundlage eines Rückkopplungssteuersystems angewendet. Außerdem kann die Erfindung auf einen Fall angewendet werden, bei dem die zuvor erwähnte Verstärkungsfestlegungseinrichtung zu einem Vorwärtskopplungssteuersystem hinzugefügt wird. Die Erfindung kann auch auf verschiedene andere Steuervorrichtungen angewendet werden.
  • Wie zuvor beschrieben kann erfindungsgemäß bei einer Ausrichtvorrichtung, bei der sich mechanische Eigenschaften abhängig von der Position eines beweglichen Bauteils ändern, da sich die Verstärkung eines als eine Steuereinrichtung dienenden Kompensators entsprechend der Position des beweglichen Bauteils ändert, stabile Steuereigenschaften mit hoher Präzision bei jeder Position des beweglichen Bauteils durch Einstellen der Verstärkung entsprechend der gegenwärtigen Position des beweglichen Bauteils erlangt werden.
  • Die Erfindung ist nicht auf die vorangehenden Ausführungsbeispiele beschränkt und es können verschiedene Änderungen und Abwandlungen vorgenommen werden.

Claims (8)

  1. Vorrichtung zur Bewegung eines von einer Basis (B) gestützten Gestells (1, 71, 72) in X- und Y-Richtungen an eine Zielposition (D(x, y)), mit: einer Motoreinrichtung (2, 75, 76) zum Antreiben des Gestells innerhalb einer Bewegungsreichweite in den X- und Y-Richtungen; einer Messeinrichtung (6, 80, 81) zur Messung einer gegenwärtigen Position des Gestells in den X- und Y-Richtungen; und einer Steuereinrichtung (3, 4, 8) zur Erzeugung eines Steuersignals (I) zur Steuerung der Motoreinrichtung (2), um das Gestell in den X- und Y-Richtungen an die Zielposition ((D(x, y)) zu bewegen, wobei die Steuereinrichtung eine Einrichtung (8) zum dynamischen Festlegen einer Transferfunktion (G) aufweist, die mit der Erzeugung des Steuersignals entsprechend der gegenwärtigen gemessenen Position (P(x, y)) in den beiden X- und Y-Richtungen im Zusammenhang steht; wobei die Steuereinrichtung (3, 4, 8) betreibbar ist, um die Transferfunktion (G) so festzulegen, dass sich eine Verstärkung (K) in Abhängigkeit von der gegenwärtigen gemessenen Position (P(x, y)) in den beiden X- und Y-Richtungen ändert.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Steuereinrichtung (3, 4, 8) betreibbar ist, das Steuersignal (I) mittels Rückkopplung der von der Messeinrichtung (6) gemessenen gegenwärtigen Position (P(x, y)) an die Steuereinrichtung (8) zu erzeugen.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Steuereinrichtung betreibbar ist, das Steuersignal (I) durch Verstärken einer Differenz (S) zwischen der Zielposition (D) und der gemessenen Position (P) gemäß der Transferfunktion (G) zu erzeugen.
  4. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Steuereinrichtung (2, 3, 8) eine Steuereigenschaftsfestlegungseinrichtung (8) zur Festlegung der Transferfunktion (G) auf der Grundlage einer vorbestimmten Funktion aufweist, die die Transferfunktion (G) entsprechend der gegenwärtigen gemessenen Position (P) definiert.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei die Transferfunktion (G) Proportional- (Kp), Integral- (Ki) und Differential- (Kd) Elemente aufweist und die Steuereigenschaftsfestlegungseinrichtung (8) betreibbar ist, die Proportional-, Integral- und Differential-Elemente der Transferfunktion (G) auf der Grundlage einer vorbestimmten Funktion zur Definition der Transferfunktion (G) entsprechend der gegenwärtigen gemessenen Position (P) festzulegen.
  6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei die Steuereinrichtung eine Steuereigenschaftsfestlegungseinrichtung (8) aufweist, die betreibbar ist, die Transferfunktion (G) auf der Grundlage einer Tabelle (30) festzulegen, die die Transferfunktion (G) entsprechend einem die gemessene Position (P) enthaltenden Bereich definiert.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei die Transferfunktion (G) Proportional- (Kp), Integral- (Ki) und Differential- (Kd) Elemente aufweist und die Steuereigenschaftsfestlegungseinrichtung (8) betreibbar ist, die Proportional-, Integral- und Differential-Elemente der Transferfunktion (G) auf der Grundlage der Tabelle (30) festzulegen.
  8. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Messeinrichtung ein Laserinterferometer aufweist.
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