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Dokumentenidentifikation DE69028574T2 17.04.1997
EP-Veröffentlichungsnummer 0401018
Titel Hochpräzises Positioniersystem
Anmelder Research Development Corp. of Japan, Tokio/Tokyo, JP;
Kabushiki Kaisha Yaskawa Denki, Kitakyushu, Fukuoka, JP
Erfinder Futami, Shigeru, Tsukuba-shi, Ibaraki 305, JP;
Furutani, Akihiro, Tsukuba-shi, Ibaraki 305, JP
Vertreter Matschkur Götz Lindner, 90402 Nürnberg
DE-Aktenzeichen 69028574
Vertragsstaaten DE, GB
Sprache des Dokument En
EP-Anmeldetag 31.05.1990
EP-Aktenzeichen 903059434
EP-Offenlegungsdatum 05.12.1990
EP date of grant 18.09.1996
Veröffentlichungstag im Patentblatt 17.04.1997
IPC-Hauptklasse G05B 19/21
IPC-Nebenklasse G05D 3/12   G01B 21/04   

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein hochpräzises Positioniersystem, bei welchem es möglich ist, die Nanometerpositionierung mit hoher Geschwindigkeit und langem Hub durchzuführen.

Die hochpräzise Positionierung ist eine der wichtigen Basistechnologien. Insbesondere besteht ein starkes Bedürfnis für eine hochpräzise Nanometerpositionierung in den Bereichen der Halbleiterfertigung, Laseroptik und der optoelektronischen Bearbeitung. Die Positionierung muß nicht nur mit hoher Präzision durchgeführt werden, sondern auch mit hoher Geschwindigkeit, wobei Genauigkeit und Hochgeschwindigkeit widersprüchlich sind, und es ist nicht leicht beide Forderungen gleichzeitig zu erfüllen.

Um diese Probleme zu lösen, ist es in der Vergangenheit üblich gewesen, unabhängige Positioniersysteme für die Grobpositionierung und die Feinpositionierung vorzusehen und in Serie zu schalten und die Hochgeschwindseigenschaften durch das Grobpositioniersystem zu schaffen, während die hohe Genauigkeit durch das Feinpositioniersystem erreicht wird.

Der konventionelle Typ eines genauen Positioniersystems wie es in Fig. 1 darge stellt ist, ist ein Gerät mit einem Zweiachsenlinearmotor 53 mit beweglicher Spule und er wird angewandt auf ein luftaufgehängtes XY-Gestell für ein Röntgenbestrahlungssystem. in diesem System wird das Grobpositioniersystem durch einen Linearmotor 53 angetrieben und durch einen Vacuumverriegelungsmechanismus 57 gestoppt. Die Positionierung wird durchgeführt durch das Vacuumverriegelungssystem zum Umschalten über Grob- und Feinpositioniersystem in Fig. 1b und durch Feinpositionierung, die verursacht wird durch die Deformation der XY- Feinpositionierfeder 61, wie sie in der Anordnung der Feinpositionierfeder gezeigt ist. Der Kontrollblock ist in Fig. 2 dargestellt und die Fig. 3 zeigt die Positionierungsfolge bestehend aus der Grobpositionierung, dem Verriegelungsschritt und der Feinpositionierbewegung.

Das vorstehend beschriebene konventionelle Präzisionspositioniersystem ist jedoch kompliziert aufgebaut und läßt sich nur unter Schwierigkeiten kleinräumig bauen und die Festigkeit der Fixierfeder durch die Vacuumverriegelung kann nicht erhöht werden. Demzufolge ist die Eigenfrequenz niedrig und die Empfindlichkeit kann nicht erhöht werden. Da die Positionierungsfolge stets abläuft: Grobpositionierung T Halt T Verriegelung T Feinpositionierung wird darüber hinaus viel Zeit für das Anhalten und Verriegeln benötigt und die Positionierung dauert sehr lange. Das vorstehend erläuterte System ist beschrieben in OMROM Technics Nr.76, Seiten 285-291 (1985) - Tsuji: "AIR BEARING GUIDED XY STAGE FOR X-RAY LITHOGRAPHY SYSTEM" - und umfaßt die Merkmale des Oberbegriffs des Anspruchs 1.

Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines präzisen Positioniersystems, welches sehr klein bauen kann und einfach im Aufbau ist und mit Hilfe dessen es möglich ist, die Positionierung mit hoher Genauigkeit und hoher Auflösung durchzuführen. Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, die Betriebsverhaltensbereiche des Kontrollsystems zu teilen und die Grobpositionierung und Feinpositionierung durch einen einzelnen Mechanismus durchführen zu lassen.

Diese Ziele werden durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 erreicht.

Weitere bevorzugte Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den Ansprüchen.

In den beigefügten Zeichnungen:

Fig. 1 ist eine Darstellung um ein konventionelles Beispiel eines präzisen Positioniersystems zu zeigen;

Fig. 2 ist ein Diagramm eines konventionellen Beispiels eines XY- Gestellkontrollblocks;

Fig. 3 ist ein Diagramm mit einem Beispiel der Positioniersequenz;

Fig. 4 ist eine Zeichnung eines Ausführungsbeispiels eines hochpräzisen erfindungsgemäßen Positioniersystems;

Fig. 5 ist ein Diagramm zur Darstellung der Verschiebungs-Kraftbeziehung der Rollführung;

Fig. 6 ist eine Zeichnung zur Darstellung des dynamischen Modells jedes Bereichs der Rollführung;

Fig. 7 ist eine Zeichnung zur Erläuterung des Langhubpositionierkontrollverfahrens;

Fig. 8 ist ein Diagramm zur Erläuterung des Bereichs, in welchem die Operationskraft zu Null wird;

Fig. 9 zeigt die Zusammensetzung des kontrollsystems im Bereich III;

Fig. 10 ist ein Diagramm zur Erläuterung eines Beispiels des Kontrollverfahrens des starren Systems (Bereich III);

Fig. 11 ist ein Diagramm zur Erläuterung der Eigenschaften des zu kontrollierenden Objekts in den Bereichen I und II;

Fig. 12 zeigt eine positive Rückkopplungsschleife der Position um eine Antwort äquivalent zu den Charakteristika im Bereich III zu geben;

Fig. 13 ist ein Diagramm zur Erläuterung der Konfiguration eines Kontrollsystems, welches in allen Bereichen die gleichen Charakteristika aufweist;

Fig. 14 ist ein Diagramm eines Ausführungsbeispiels les Aufbaus des gesamten Kontrollsystems;

Fig. 15 ist eine Zeichnung zur Darstellung von Beispielen des Aufbaus des Mechanismus (Einheit), des Motors und des Sensors eines hochgenauen Positioniersystems entsprechend der vorliegenden Erfindung;

Fig. 16 zeigt ein Beispiel des Stromantriebverfahrens der Wechseistrommotorwicklung (5);

Fig. 17 ist ein Diagramm zur Erläuterung eines Beispiels der Stabilisierung des Kontrollsystems durch Beschleunigungsrückkopplung;

Fig. 18 ist ein Diagramm zur Erläuterung eines Beispiels der Stabilisierung der kontrolle im Bereich I durch eine integrale Steuerung und ein Verzögerungsfilter zweiter Ordnung.

Fig. 19 zeigt das Ausführungsbeispiel 2 eines hochpräzisen Positioniersystems gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 20 zeigt den Aufbau der Grobpositioniersteuerung;

Fig. 21 zeigt den Aufbau der Feinpositioniersteuerung;

Fig. 22 zeigt das Zeitdiagramm eines Schalters zum Wechseln zwischen dem Motor An/Aussignal und dem Eingang des Kraftverstärkers der Schaltfolge des Schalters A und B;

Fig. 23 zeigt das experimentelle Einschwingverhalten des Betriebsverhaltens des beweglichen Teils nach der Zeit T&sub1; wenn der Motor abgeschaltet ist;

Fig. 24 zeigt den Stufenverlauf mit der Minimalauflösung von 100 nm der Grobpositioniersteuerung;

Fig. 25 zeigt den Verlauf der Grobpositionierung bei der Maximalgeschwindigkeit von 200 mm pro Sekunde;

Fig. 26 zeigt ein Diagramm des Stufenverlaufs von 1 nm der Feinpositioniersteuerung;

Fig. 27 ist das Ausführungsbeispiel 3 eines hochpräzisen Positioniersystems gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 28 ist ein Verlaufsdiagramm zur Erläuterung der Positionierfolge;

Fig. 29 ist ein Diagramm eines Ausführungsbeispiels der Erfindung für einen rotierenden Positioniertisch;

Fig. 30 ist ein Schnitt der Rollenlagerung in Fig. 29 längs der Linie A - A';

Fig. 31 ist das gemessene Kraft-Verschiebungsdiagramm wenn ein Übergang zwischen den Bereichen I und II stattfindet;

Fig. 32 ist ein vergrößerter Teilausschnitt aus Fig. 31;

Fig. 33 ist ein Meßdiagramm der Kraft-Verschiebungsbeziehung wenn ein Übergang zwischen den Bereichen II und III stattfindet;

Fig. 34 ist ein Meßdiagramm der Beziehung Geschwindigkeit-Reibungskraft der Rollführung;

Fig. 35 und 38 zeigen den Verlauf des Motor An/Aussignals, der Grobpositionierung, der Geschwindigkeit und der Feinpositionierung wenn die gesamte Positioniersteuerung des Ausführungsbeispiels 2 experimentell durchgeführt wurde;

Fig. 36 ist eine teilweise Vergrößerung der Fig. 35 in der Nähe des Motorauspunktes und

Fig. 37 ist eine weitere Vergrößerung der Fig. 36 bei der Einstellung von Vibrationen.

Nachfolgend werden die Einzelheiten der vorliegenden Erfindung in Verbindung mit den Zeichnungen beschrieben.

In Fig. 4 bezeichnet 1 ein festes Motorteil, 2 eine Motorwicklung, 3 ein bewegliches Teil des Motors, 4 ein bewegliches Teil, 5 einen Positionierfühler, 6 und 7 Beschleunigungsfühler, 8 eine Rollführung, 9 ein festes Teil, 10 einen Positionsreferenzgenerator, 11 eine Steuereinrichtung und 12 einen Kraftverstärker. Das bewegte Teil 4, das feste Teil 9 und die Rollführung 8 bilden das bewegliche Element eines hochpräzisen Positioniersystems. Durch Abstützen des beweglichen Teils 4 zur Steuerung der Position durch die Rollführung 8, durch Halten der Rollführung 8 zwischen dem bewegten Teil 4 und dem festen Teil 9 und durch Anwenden von Druck, werden die Rollen oder Kugeln der Rollführung elastisch in Druckrichtung und in der senkrecht dazu liegenden Antriebsrichtung deformiert und es ergibt sich eine Relativbewegung zwischen der Rollführung und dem festen Teil 9. Für diese Bewegung wird die Antriebskraft f auf das bewegte Teil 4 durch einen Nichtkontaktmotor erzeugt, der aus einem festen Motorteil 1 und einem beweglichen Motorteil 3 besteht, indem das bewegliche Motorteil 3 auf dem bewegten Teil 4 montiert wird. Der Positionsfühler 5 dient zur Feststellung der Verschiebung x des bewegten Teils 4 zur Positionssteuerung und der Generator 10 erzeugt die Positionsreferenz r des bewegten Teils 4. Die Kontrolleinrichtung 11 vergleicht die gemessene Position x des bewegten Teils 4 mit der Positionsreferenz r, steuert die Antriebskraft f durch Steuerung des Motorstroms i der Motorwicklung 2 über den Kraftverstärker 12 und führt die Positionssteuerung des bewegten Teils 4 durch. Der Beschleunigungssensor 6 stellt die Beschleunigung des bewegten Teils 4 in Antriebsrichtung fest, während der Beschleunigungsfühler 7 die Beschleunigung des festen Teils 9 in Antriebsrichtung mißt.

Wenn, wie oben angegeben, Druck angelegt wird, so erfolgt ein elastischer Kontakt entsprechend einem Herzkontakt am Rollkörper, der aus Rollen und Kugeln der Rollführung 8 besteht. Wenn die Antriebskraft f auf das bewegliche Teil des Motors 3 erzeugt wird und das bewegte Teil 4 nach der Rollführung in einer Gleichgewichtsposition angehalten wird, wird die statische Beziehung zwischen der Verschiebung x und der Antriebskraft f durch Verschieben des bewegten Teils 4 gemessen, dabei das Diagramm nach Fig. 5 erhaltend, dessen Charakteristika in den Bereichen I - III liegen. Die Existenz der Bereiche I und II ist von den Erfindem der vorliegenden Anmeldung zum ersten Mal entdeckt worden.

Die bislang üblichen konventionellen Rollführungen verwenden den Bereich III, während eine hochgeschwindigkeits- und hochpräzise Positionierung durch ein hochpräzises Positioniersystem gemäß der vorliegenden Erfindung erhalten werden, indem man die Bereiche III und II oder die Bereiche III, II und I kombiniert und verwendet.

Vor der Erläuterung des Positioniersteuersystems sollen zunächst die Charakteristika jedes Bereichs beschrieben werden. Die Bereiche I - III sind durch die dynamischen Modelle repräsentiert, die in Fig. 6 gezeigt sind und die Verschiebungs-Kraftdiagramme jedes dieser Bereiche werden unten beschrieben, wenn die Gleichgewichtsposition f = 0 und x = 0 gesetzt ist und dies wird als Ursprung O angesehen.

(1) Der Bereich I ( x < x&sub1;) ist der Bereich, in welchem der bewegte Teil 4 mit dem festen Teil 9 über eine Federcharakteristik der Führung verbunden ist. Es handelt sich daher um ein System, bei welchem die Masse M und die Feder K&sub1; in Serie verbunden sind, wie es durch den Bereich I in Fig. 6 wiedergegeben ist.

Dieses System ist natürlich linear und hat Positionseigenschaften und ein normales Rollen findet nicht statt. Demzufolge hat es eine lineare Charakteristik, die durch den Ursprung O verläuft, das heißt, eine Federcharakteristik. Da die Linearität der Federcharakteristik in diesem Bereich sehr gut ist und die Eigenfrequenz hoch liegt, kann ein Nanometerpositionieren durch Verwendung einer solchen Charakteristik oder Kennlinie erreicht werden.

Die Transferfunktion der Kraft f zur Verschiebung x in diesem Bereich ist:

und die natürliche Winkelfrequenz ist

Auf der Frequenzebene werden diese Charakteristika ausgedrückt als Pole auf imaginären Achsen. In der Vorrichtung der Versuchsproduktion die später beschrieben wird ist:

und

Die Charakteristika dieses Bereichs entsprechen dem des konventionellen Feinpositioniermechanismus aber die Eigenfrequenz ist etwa 4 bis 10 mal höher als die des konventionellen Feinpositioniermechanismus.

(2) Der Bereich II (x&sub1; ≤ x < x&sub2;) ist der Bereich, in welchem der Kontaktteil der Rollführung teilweise fixiert ist und der verbleibende Teil sich im Gleitzustand befindet. In diesem Bereich erfolgt eine Rollbewegung wenn eine konstante Kraft kontinuierlich angewandt wird. Die Beziehung zwischen Kraft und Verschiebung ist nicht stetig und es tritt eine irreversible Bewegung mit Energieverlust infolge von Hysteresereibung auf. Wenn eine Steuerung mit konstanter Verschiebung durchgeführt wird ist daher die Kraft eine Funktion der Verschiebung und sie folgt ungefähr einer Federcharakteristik wie es im Bereich II in Fig. 6 gezeigt ist. Sie ist angenähert als gerade Linie, aber diese gerade Linie geht nicht durch den Ursprung O. Die Linearität der Federcharakteristik dieses Bereichs ist nicht sehr gut aber sie weist eine hohe Wiederholbarkeit auf. Da in einer willkürlichen Position immer die gleichen Charakteristika gegeben sind, kann dies wirksam zur Positionssteuerung ausgenutzt werden.

Das Verhalten in diesem Bereich II kann angenähert ausgedrückt werden als:

Wenn dies geändert wird in:

und falls die rechte Seite einschließlich der Reibungskraft angesehen wird als Antriebskraft ist die Transferfunktion von der Antriebskraft zur Position:

und die natürliche Eigenfrequenz ist:

Im experimentellen System:

Die Federkonstante K&sub2; ist kleiner, ein Zehntel bis ein Hundertstel der Federkonstante K&sub1; des Bereichs I. Demzufolge ist die Eigenfrequenz um ein Drittel bis ein Zehntel erniedrigt.

Dieser Bereich hat eine Zwischeneignung zwischen dem konventionellen Grobpositioniersystem und Feinpositioniersystem.

(3) Der Bereich III ( x ≥ x&sub2; ) ist der Bereich in dem ein normales Rollen mit gesättigter Reibungskraft stattfindet. Es ist der Bereich, in welchem die Kraft, das heißt die Reibungskraft, fast konstant ist und nicht von der Verschiebung abhängt. Diese Reibungskraft entspricht der sogenannten Coulomb-Reibung, wie es im Bereich III von Fig. 6 gezeigt ist. Da die Verschiebung in diesem Bereich mehr als 100 µm aus der Gleichgewichtsposition beträgt, erfolgen nahezu alle Bewegungen im Falle von großhubigen Betätigungen in diesem Bereich.

Das Verhalten im Bereich III ist ausgedrückt durch:

Bei der Bewegung des festen Körpers, wobei Reibungskraft angewandt wird, ist die Transferfunktion von Kraft zur Position gleich:

G&sub3;(s) = 1/Ms²

Üblicherweise wird angenommen, daß das Rollführungssystem die Kennlinie dieses Bereichs hat und das Positioniersteuersystem unter Verwendung konventioneller Rollführungen ist so konzipiert, daß es die Kennlinie dieser Region annimmt. In einem Positioniersteuersystem unter Verwendung konventioneller Rollführung ist daher die Kennlinie des Bereichs I und II nicht positiv verwendet.

Als nächstes soll das Kontrollsystem eines hochpräzisen Positioniersystems beschrieben werden, welches die oben erwähnten mechanischen Eigenschaften hat.

Im erfindungsgemäßen hochpräzisen Positioniersystem werden die Kennlinien der obigen Bereiche I - III einer Rollführung sehr wirksam ausgenutzt zum Erreichen der hochpräzisen und mit hoher Geschwindigkeit erfolgenden Positionierung. Das bewegte Teil 4 wird in die Position nahe der Referenzposition unter Verwendung des Bereichs III für die Langhubpositionierung verschoben. Nachdem die Antriebskraft nahe der Referenzposition abgeschaltet ist und die Integrairegelung zurückgestellt worden ist, wird es in die Bereiche II und I verschoben, um eine hochpräzise Positionierung zu erreichen.

Für eine Kurzhubpositionierung von der Gleichgewichtsposition, das heißt von der Startposition im Bereich I in die Referenzposition in den Bereichen I und II werden die Kennlinien der Bereiche I und II verwendet.

Im Falle einer Langhubpositionierung jenseits des Bereichs II wird, wenn man dies beachtet, die Steuerung durchgeführt durch Eintreten in den Bereich III und es erfolgt keine Rückkehr in die Bereiche I und II bis gestoppt wird. Ein Beispiel einer solchen Steuerung wird in Verbindung mit Fig. 7 erläutert.

Wie in Fig. 7 gezeigt ist, ist die erste Anhalteposition x&sub0; (< 0) und eine Positionierung im Ursprung (x, x) = (0, 0) wird ohne Verallgemeinerung angenommen. Zunächst werden die Kommandofolge:

Beschleunigung T konstante Geschwindigkeit T Abbremsen T Stop (Positionierung)

wie beim konventionellen Verfahren erzeugt. In der Bahnkurve des Phasenplans nach Fig. 7 ist die Beschleunigungsphase (1) T (2), die Phase konstanter Geschwindigkeit ist (2) T (3) und die Abbremsphase ist (3) T (4).

Diese Bewegung wird im Bereich III ausgeführt und die Struktur des Steuersystems ist die gleiche wie beim konventionellen System. Unter Beachtung der Deformation der Rollführung wird das Kommando verbessert zu:

im Bereich III und in

r' = r

in den Bereichen I und II.

Darüber hinaus wird der Steuerungsunterschied gegenüber dem konventionellen System vom nächsten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens durchgeführt.

Speziell wird der Bereich A nahe der Referenzposition wie in Fig. 7 gezeigt eingestellt und innerhalb dieses Bereichs ist die Steuerkraft f zwangsweise auf Null gestellt. In dem Moment wenn die Bahnkurve in diesem Bereich (den Punkt (4) in der Figur) während der Abbremsung eintritt, wird die Antriebskraft auf 0 gestellt und die Integralsteuerung zwangsweise zurückgesetzt. Wenn die Antriebskraft auf Null gestellt ist, wird das bewegte Teil durch die Bremskraft -F&sub2; abgebremst und die Geschwindigkeit wird auf Null vermindert, das heißt es wird gestoppt. In diesem Moment wird das Betriebsverhalten des Führungsmechanismus vom Bereich III in den Bereich II oder I verschoben. Von dem Moment (der Punkt (5) in der Zeichnung), wenn die Geschwindigkeit bei null Antriebskraft auf nahezu Null abgenommen hat, wird die Steuerung in den Bereichen II und I aktiviert und die Schlußpositionierung durchgeführt.

Im Falle einer Positionierung in negativer Richtung, das heißt im Falle von x&sub0; > 0, wird lediglich die Richtung umgedreht. Insbesondere wird erfindungsgemäß die Antriebskraft bei der Positionierung auf Null gestellt und das Betriebsverhalten der Rollführung wird vom Bereich III in die Bereiche I und II verschoben. Durch effektive Ausnützung der Federcharakteristik der Rollführung mit hoher Steifigkeit und Linearität wird eine hochpräzise Positionierung erreicht, die in der Vergangenheit unerreichbar gewesen ist.

Daher wird der Bereich A, wo die Antriebskraft Null ist, derart eingestellt, daß im Bereich x ≤ x&sub2; mit der Reibungskraft alleine gestoppt wird und der Bereich wird durch die nachfolgenden drei Kurven gebildet:

Wie in Fig. 8 (a) im Falle einer Positionierung in negativer Richtung gezeigt ist und

wie in Fig. 8 (b) im Falle einer Positionierung in Richtung auf die negative Richtung dargestellt ist. Dabei sind F2max und F2min der Maximumwert und der Minimumwert der Reibungskraft F&sub2; und V&sub1; ist eine Geschwindigkeit nahe Null. Dieser Bereich kann durch die Bereiche mit einfacherer Berechnung ersetzt werden, wie es in den Figuren 8 (c) - (f) wiedergegeben ist.

Nachfolgend soll die Struktur des Steuersystems in jedem der obigen Bereiche beschrieben werden.

Beim konventionellen Steuerverfahren ist ein System starrer Körper ausgebildet, um das gewünschte schnelle Ansprechen und Dämpfung zu haben. Da die Charakteristika des Bereichs III die gleichen sind wie ein System starrer Körper, ist das Blockdiagramm durch Fig. 9 wiedergegeben, wobei die gestrichelte Linie 15 die Besonderheit des Mechanismus zeigt. Die Fig. 10 zeigt ein Beispiel dieses Bereichs III, das heißt ein Beispiel eines konventionellen Steuersystems eines Systems starrer Körper. Die Fig. 10 (a) zeigt eine PID-Steuerung und Fig. 10 (b) I-PD-Steuerung. In beiden Zeichnungen ist angenommen, daß nur die Position gemessen werden kann. Zum Zwecke der Eliminierung der Versetzung durch Reibungskraft wird eine Integralkontrolle zugefügt. Die Differenzierung wird durchgeführt durch einen Annäherungsdifferentialkreis. Die Differentialsteuerung liefert einen bedeutenden Effekt auf die Stabilität des Steuersystems und ist äquivalent zu einer Geschwindigkeitsrückkopplung. Wenn die Geschwindigkeit direkt gemessen werden kann, kann die Differentialsteuerung durch eine Geschwindigkeitsrückkopplung ersetzt werden. Die Symbole bedeuten:

Kp: Proportionale Verstärkung

Ti: Integrationszeit (Ti&supmin;¹ Integrationsverstärkung)

Td: Differentialzeit (Differentialverstärkung)

Tf: Zeitkonstante des Annäherungsdifferenzialkreises.

Auf der anderen Seite kann die Charakteristik des Mechanismus in den Bereichen I und II ausgedrückt werden, wie es in Fig. 11 wiedergegeben ist. Die Differenz zum System starrer Körper nach Fig. 9 besteht darin, daß hier eine Rückkopplung der Federkonstanten K gegeben ist. Durch Hinzufügen der positiven Rückkopplung der Verstärkung K künstlich wie es in Fig. 12 gezeigt ist, ist es möglich, die Charakteristika des Mechanismus in den Bereichen I und II identisch zur Charakteristik im System starrer Körper in der Region III zu machen.

Wenn die obige positive Rückkopplung verwendet wird, kann die geschlossene Kurvencharakteristik in allen Bereichen gleichgesetzt werden und die Fig. 13 zeigt eine solche Anordnung. Dies ist die Struktur die erhalten wird durch Hinzufügen einer positiven Rückkopplung mit variabler Verstärkung 17 zur Struktur der Fig. 9. Bei der Bereichsklassifizierung 16 ist die variable Verstärkung eingestellt auf

Bereich I: K = K&sub1;

Bereich II: K = K&sub2;

Bereich III: K = 0

Die Fig. 14 zeigt ein Beispiel der Struktur des gesamten Steuersystems. Dabei bezeichnet 21 einen Steuerreferenzgenerator, 22 einen PID-Kontrollkreis, 23 einen Beschleunigungsrückkopplungskreis, 24 ein Steuerobjekt, 25 einen Schalter, 26 positive Rückkopplung der Position, 27 einen geschwindigkeitsarithmetischen Kreis und 28, 29 und 30 Bereichsklassifikationskreise.

In Fig. 14 erzeugt der Steuerreferenzgenerator 21 das Positionssteuersignal. Der Fehler zwischen diesem Positionssteuersignal r und dem Positionssignal x wird in den PID-Steuerkreis 22 eingegeben. Das Ausgangssignal des PID-Steuerkreises 22 wird umgewandelt in das Treibsignal u des Mechanismuselements 24 durch einen Schaltkreis 25. Hier sind der positive Rückkopplungskreis 26 und der Beschleunigungsrückkopplungskreis 23 angeschlossen. Der Beschleunigungsrückkopplungskreis 23 koppelt die relative Beschleunigung der Antriebsrichtung zurück durch Subtrahierung des Signals des Beschleunigungsfühlers 7 von 6 in Fig. 4. Der Positionspositivrückkopplungskreis 26 ist ein Rückkopplungskreis mit variabler Verstärkung K und bezieht sich auf die Bereiche I bis III wie es in Fig. 13 erläutert wurde. Die Bereichsklassifikationskreise 28 bis 30 stellen die Integralsteuerung des PID-Steuerkreises 22 entsprechend den Bereichen I bis III ein oder erzeugen die Signale um die Steuerung im Bereich nahe der Referenzposition umzuschalten.

Der Bereichsklassifikationskreis 28 ist ein Kreis zur Bereichsklassifizierung wenn die Antriebskraft zwangsweise in der Nähe des Referenzpinktes auf Null gesetzt ist, wie dies in den Fig. 7 und 8 erläutert wurde. Im Falle des Bereichs A wie er in Fig. 8 gezeigt ist, in welchem die Antriebskraft Null ist, erfolgt als Ausgabe das Klassiflkationssignal "1". In anderen Fällen wird das Klassifikationssignal "0" ausgegeben. In anderen Fällen wird das Klassifikationssignal "0" ausgegeben. Im Falle des Klassifikationssignals s&sub1; = "1" wird daher der Schaltkreis 25 auf die "Offen"-Stellung eingestellt und der Eingang des Kraftverstärkers des Steuerobjekts 24 (Treibsignal u) wird zwangsweise auf Null gestellt und die Integralsteuerung des PID-Steuerkreises 22 ist zurückgestellt.

Der Bereichsklassifikationskreis 29 ist ein Kreis zur Klassifizierung der Bereiche I - III für die Abweichung d der Positionierungsstellung Xr und die Versetzung x. Im Falle, daß die Abweichung d im Bereich I liegt, wird ein Klassifizierungssignal s&sub2; = "0" ausgegeben. Im Falle, daß sie im Bereich II liegt, beträgt der Ausgang "1" und im Falle, daß sie im Bereich III liegt, ist das Ausgangssignal "2".

Der Bereichsklassifikationskreis 30 ist ein Kreis zur Bereichsklassifikation um eine positive Rückkopplungsverstärkung der Position einzustellen. Im Falle, daß sie klassifiziert wird als Bereich I vom Klassifikationssignal s&sub1; des Bereichsklassifikationskreises 28 und vom Klassifikationssignal s&sub2; des Bereichsklassifikationskreises 29, wird das Klassifikationssignal s als "0" ausgegeben. Im Falle, daß sie klassifiziert wird als Bereich II ist die Ausgabe "1", und "2" wird ausgegeben, wenn sie als Bereich III klassifiziert wird. Daher wird die Verstärkung K des positiven Rückkopplungskreises 26 auf K&sub1; eingestellt, wenn das Klassifikationssignal s "0" ist. Es wird auf K&sub2; eingestellt, wenn das Klassifikationssignal s "1" ist und auf 0, wenn das Klassifikationssignal s "2" ist.

Die Fig. 15 zeigt ein Beispiel der Struktur des Mechanismus und des Motors des hochgenauen Positionierungselements im Versuch. Das Führungssystem ist ein lineares Rollführungssystem, welches Kugeln benutzt. Auf der Basis des festen Teils sind Führungsschienen 36 montiert und die beweglichen Teile der Führung ist an vier Ecken des Tisches 31 fixiert. Die Führung wird zusammengedrückt durch Schrauben die am Tisch 31 montiert sind und es wird Druck auf die Kugeln ausgeübt.

Der Motor ist ein Wechselstromlinearmotor vom Typ beweglicher Magnet. Eine Dreiphasenankerwicklung 33 ist mit Kunstharz verfestigt und auf der Basis fixiert.

Permanentmagnete 37 sind unter dem Boden des Tisches 31 fest angeordnet. Wenn elektrische Ströme durch die Ankerwicklung 33 strömen, wird eine Antriebskraft auf den Tisch 31 erzeugt. Der Motor ist im Mittelpunkt des Geräts angeordnet. Wenn die Permanentmagnete 37 so angeordnet sind wie in Fig. 15 gezeigt, wird eine Momentkraft auf das bewegte Teil nicht ausgeübt. Wenn eine kernlose Wicklung verwendet wird, sind die Schwankungen der Antriebskraft infolge von Irregularitäten des Magnetkreises eliminierbar. Da gleichzeitig die Induktivität der Wicklung extrem erniedrigt ist, kann ein Motor mit kleiner elektrischer Konstante und hoher Empfindlichkeit erhalten werden.

In diesem Antriebssystem ist, wenn der Wicklungswiderstand R = 20 Ω und die Induktivität L = 1 mH ist, die elektrische Zeitkonstante T gegeben durch:

T = L/R = 1 mH/20 Ω = 50 µS.

Die Anregung des Motorstroms beim Antrieb durch einen Linearverstärker ist 10 kHz oder mehr mit einer Verstärkung von -3 dB. Darüber hinaus wurde festgestellt, daß die Kraftauflösung besser war als 1 mN.

Wie in Fig. 16 gezeigt ist, wurden die dreiphasigen Ankerwicklungen des Motors in Sternschaltung verbunden und die u-Phase und die v-Phase wurden versorgt durch zwei Linearstromkraftverstärker. Bei dieser Verbindung wird die Gleichgewichtsbedingung von 3-Phasenströmen:

iu + iv + iw = 0

automatisch erhalten. Die Vektorsteuerung wird für iu und iv derart durchgeführt, daß der Magnetfeldvektor und der Stromvektor orthogonal zueinander stehen.

Eines der Probleme der Feinpositioniersteuerung in den Bereichen I und II ist die Schwierigkeit des Erhaltens eines Geschwindigkeitssignals durch Differenzierberechnung aus der Position, da das Positionssignal sehr klein ist und die Stabilität und Dämpfung des Steuersystems nicht erhöht werden kann. Die Fig. 17 und 18 zeigen Beispiele für Lösungen dieses Problems.

Das erste ist das Verfahren zur Stabilisierung durch Beschleunigungsrückkopplung. In den Bereichen I und II hat die Anordnung eine Vibrationscharakteristik mit hoher Eigenfrequenz. Die Vibrationsverschiebung mit der Amplitude a wird ausgedrückt durch:

x (t) = a sin (2πfnt)

und die Beschleunigung dieser Bewegung ist gegeben durch:

(t) = a (2πfn)² sin (2πfnt)

Hier wird,da

(2πfn)² » 1,

die Beschleunigung als ein Signal mit relativ hohem Niveau gemessen. Darüber hinaus können Vibrationssignale durch Wechselstromkreise verarbeitet werden. Die Beschleunigung des bewegten Teils und des festen Teils werden unabhängig durch Beschleunigungsfühler vom piezoelektrischen Typ gemessen und die Differenz zwischen ihnen wird errechnet wie es in Fig. 17 (a) gezeigt ist. Daraus erhält man dann die relative Beschleunigung. Indem man diese der Stromsteuerung über einen Verschiebekreis erster Ordnung zufügt, wird eine Beschleunigungsrückkopplung erhalten. T ist die Zeitkonstante des Verschiebekreises erster Ordnung und Ka ist die Beschleunigungsrückkopplungsverstärkung.

Die Transferfunktion von Kraft zur Beschleunigung ist:

in den Bereichen I und II, und

Ga (s) = 1/M

im Bereich III.

Die Wurzelortskurven, wenn die Beschleunigung über einen Verschiebekreis erster Ordnung zurückgekoppelt wird, sind in Fig. 17 (b) für die Bereiche I und II und in Fig. 17 (c) für den Bereich III gezeigt. In den Bereichen I und II kann die Dämpfung natürlicher Vibrationen gesteigert werden und die Positionsschleifenverstärkung kann hoch sein. Dementsprechend werden die Genauigkeit und die Ansprechempfindlichkeit der Steuerung erhöht. Da die Beschleunigungsrückkopplung der Verschiebung erster Ordnung mit kleiner Zeitkonstante im Bereich III entspricht, zeigt die Charakteristik der geschlossenen Schleife fast keine Änderung.

Das zweite Verfahren zur Stabilisierung der Positionssteuerung besteht darin, daß man ausnützt, daß der Mechanismus Vibrationscharakteristiken in den Bereichen I und II hat. Speziell, wie in Fig. 18 (a) gezeigt, erfolgt die Steuerung nur durch eine einfache Integralsteuerung und die Positionsrückkopplung wird durchgeführt durch einen Verschiebefilter zweiter Ordnung. Für die Winkeleigenfrequenz - ωn = K/M des Mechanismus ist die Zeitkonstante des Verschiebefilters zweiter Ordnung eingestellt auf ungefähr T 1.5 ωn&supmin;¹. Dann kann die Vibrationscharakteristik mit einem Anwachsen des Integrationsgewinns Ti&supmin;¹ stabilisiert werden, wie es in der Wurzelortskurve der Fig. 18 (b) gezeigt ist. Auf diese Art und Weise ist es möglich, das Positionssteuersystem mit geschlossener Schleife mit hoher Verstärkung und Empfindlichkeit und ohne Versetzung zu realisieren. Da die Struktur dieses Steuerverfahrens im Bereich III unstabil ist, wird die Klassifizierung der Bereiche durchgeführt. Diese Struktur wird nur in den Bereichen I und II benutzt. Darüber hinaus werden

T= 1.5ωn1&supmin;¹, Ti&supmin;¹ = 0.2ωn1&supmin;¹

eingestellt im Bereich I und

T = 1.5 ωn2&supmin;¹, Ti&supmin;¹ = 0.2ωn2&supmin;¹

werden eingestellt im Bereich II.

Die vorliegende Erfindung ist nicht beschränkt auf die vorstehende Beschreibung und es ist möglich, verschiedene Variationen und Abänderungen durchzuführen. Zum Beispiel sind die Ausführungsbeispiele des Mechanismus und des Motors in der obigen Beschreibung an einem Versuchssystem gezeigt, wobei verschiedene Variationen für den Positioniermechanismus gegeben sind, der angetrieben wird durch einen Nichtkontaktmotor und nur in Kontakt steht mit der Rollführung.

Im folgenden soll ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben werden.

Die Fig. 19 ist ein Diagramm zur Wiedergabe des Ausführungsbeispiels 2 eines hochpräzisen Positioniersystems entsprechend der vorliegenden Erfindung, Fig. 20 ist ein Blockdiagramm der Grobpositioniersteuerung, Fig. 21 zeigt die Ausbildung der Feinpositioniersteuerung, Fig. 22 die Zeitkurventafel des Schalters A und B und Fig. 23 zeigt die gemessene Reaktion des bewegten Teils nach der Zeit T&sub1; wenn der Motor abgeschaltet ist.

Anders als bei der früher erwähnten erfindungsgemäßen Konstruktion sind drei unabhängige Steuereinrichtungen für jeden der drei Bereiche I, II und III vorgesehen und die Schalter werden benutzt um die Ausgänge dieser drei Steuereinrichtungen als Ergebnis der Bereichsklassifikation auszuwählen. Das Ausführungsbeispiel 2 ist in Fig. 19 wiedergegeben. Dieses Verfahren wurde experimentell bestätigt. Fig. 19 unterscheidet sich von der Fig. 14 in folgenden Punkten:

(1) Eine Beschleunigungsrückkopplung wird nicht durchgeführt.

(2) Zwei unabhängige Steuereinrichtungen, das heißt Grobpositionssteuerung 91 und Feinpositionssteuerung 92 sind vorgesehen.

(3) Zwei Positionsfühler, das heißt der Positionsfühler 84 für die Grobpositionierung und der Positionsfühler 95 für die Feinpositionierung werden verwendet.

(4) Die Steuerung wird nicht durch einen strikten Zustand umgeschaltet sondem durch eine Zeitsteuerungssequenz unter Benutzung des Zustandsklassifikationskreises 93.

(5) Wenn der Motorstrom auf Null gestellt und das Gestell angehalten ist, geht die Position um die Deformation Δ = X&sub2; der Rollführung zurück. Indem dieses pH-Phänomen in Betracht gezogen wird, wird die Grobpositionsreferenz neu plaziert mit der Referenzposition rc plus Δ.

Wie in Fig. 20 gezeigt ist, ist die Grobpositionssteuerung 91 mit der Proportionalpositionssteuerung und proportional - integraler Geschwindigkeitssteuerung versehen. Die Feinpositioniersteuerung 92 ist als einfache 1 ntegralpositionssteuerung ohne Geschwindigkeitsschleife ausgebildet wie in Fig. 21 dargestellt ist. Der Verschiebungs- oder Phasenfilter zweiter Ordnung ist in der Rückkopplungsschleife enthalten. Diese Steuerung ist robust gegen Hochfrequenzrauschen, da nur die Verschiebeelemente benutzt werden.

Beim Betrieb der Schalter A und B wird der Schalter A auf 1 beim Einsetzen des Startsignals der Positionierung eingestellt, wie es in dem Zeitdiagramm der Fig. 22 gezeigt ist und der Schalter B wird im Falle einer Positionierung in positiver Richtung auf 1 eingestellt und auf 3 im Falle einer Positionierung in negativer Richtung. Als nächstes werden die Schalter A und B auf 2 geschaltet, indem Zeitpunkt T&sub1;, wenn die Grobposition XC, gleich oder größer ist als die Referenzposition Xr + Δ. Dann zum Zeitpunkt T&sub2; nach einer gewissen Zeit vom Zeitpunkt T&sub1; wird der Schalter A in die Stellung 3 umgeschaltet. Die gemessene Antwort des bewegten Teils nach der Zeit T&sub1;, wenn der Motor abgeschaltet worden ist, ist in Fig. 23 dargestellt. Es ist aus dieser Messung evident, daß das Verhalten des bewegten Teils im Zustand des Bereichs III bei Großhubbetrieb bis zum Zeitpunkt T&sub1; liegt.

Vom Zeitpunkt T&sub1; ab tritt jedoch die Vibration im Bereich II von ungefähr 40 Hz auf und wird gedämpft nach ungefähr 50 ms. Dann stellt sich die Vibration im Bereich 1 mit 200 Hz ein und klingt nach ungefähr 50 - 100 ms ab. Im Experiment wurde die Zeit (T&sub2; - T&sub1;) bei 100 ms eingestellt.

Nachfolgend soll der Versuch mit dem hochpräzisen Positioniersystem gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben werden.

Die Fig. 24 zeigt das gestufte Ansprechen der Minimumauflösung der Grobpositioniersteuerung, Fig. 25 zeigt das Ansprechen mit der Maximalgeschwindigkeit von 200 mm/s und Fig. 26 zeigt das gestufte Ansprechverhalten von 1 nm der Feinpositioniersteuerung.

Die minimale Auflösung und die maximale Geschwindigkeit der Grobpositionier steuerung wurden bestimmt durch die Arbeitsweise des Grobfühlers. Wie man aus Fig. 26 erkennt, konnte die Positionierung mit einer Auflösung besser als 1 nm ohne Schlupf erzielt werden. Darüber hinaus wurde bestätigt, daß durch das Umschalten von der Grobpositionierung zur Feinpositioniersteuerung in der im Zeitdiagramm gezeigten Sequenz der Fig. 22 Langhub- und Hochgeschwindigkeitspositionierung durch die Grobpositioniersteuerung durchgeführt werden kann und die Positionierung mit einer Auflösung besser als 1 nm durch die Feinpositioniersteuerung erreichbar ist.

Die Fig. 27 ist ein Schaltbild des Ausführungsbeispiels 3 des erfindungsgemäßen hochpräzisen Positioniersystems und Fig. 28 dient zur Erläuterung der Positionierfolge.

Im Ausführungsbeispiel 3 der Erfindung wird die Steuerung zum Abschalten des Motors, das heißt zum Einstellen der Antriebskraft auf Null und die Korrektur der Deformation Δ der Rollführung kontinuierlich mit glattem Ansprechen bewirkt. Ein Schaltkreis zum Erreichen des glatten Schaltens ist in Fig. 27 wiedergegeben. Dies zeigt den Steuerkreis für die Bereiche III und II. Die proportionale Positionssteuerung und die proportional-integrale Steuerung werden aufgegriffen.

Die zugefügten Kreise zur Durchführung eines weichen Schaltens sind in gestrichelten Linien eingeschlossen. R&sub7; und C&sub2; bilden den Verzögerungskreis erster Ordnung mit der Zeitkonstanten R&sub7;C&sub2; (s) und die Stufenänderung von ± Δ T 0 ist eine weiche Änderung.

Die Spannungskompensation der Reibungskraft wird auf den Integrationskondensator C aufgeladen. Dieser Kondensator ist durch SW&sub2; überbrückt und wird über R&sub6; entladen. Auf diese Art und Weise wird die Kraft kontinuierlich auf Null gestellt.

Die Größe des Bereichs 1 ist beim experimentellen Mechanismus ungefähr ± 100 nm. Es ist problematisch, ob die Endpositionierstellung xr im Bereich I liegt oder nicht, wenn der Tisch im Bereich I nach der Positionierung in den Bereichen III und II zur Ruhe kommt. Wenn sie eingeschlossen ist, ist es möglich, von der Grobpositionierung auf die Feinpositioniersteuerung im Bereich I umzuschalten. Ist sie jedoch nicht eingeschlossen, so sollte eine neue Positionierung mit der Positionierstellung xr als Ziel durchgeführt werden. Fig. 28 zeigt die Schrittfolge einer solchen Positionierung.

Vorstehend ist die Positionierung eines linearen Systems beschrieben worden, obgleich die Beschreibung auch für die Positionierung in einem rotierenden System anwendbar ist.

Fig. 29 zeigt eine Probestruktur der Erfindung angewandt auf einen rotierenden Positioniertisch und Fig. 30 ist ein Schnitt der Rollenlagerung der Fig. 29 längs der Linie A-A'.

Wenn die vorliegende Erfindung auf einen rotierenden Positioniertisch angewandt wird, werden wenigstens drei Kugeln zwischen der rotierenden Einheit 13 und der festen Einheit 9 benötigt, wie es in Fig. 30 gezeigt ist und der rotierende Tisch 4 zur Steuerung der Winkelposition wird durch die Rollenlagerung 8 abgestützt Durch Einsetzen von Kugeln zwischen die rotierende Einheit 13 und feste Einheit 9 der Rollenlagerung 8 und durch Anwenden von Druck werden die Kugeln elastisch deformiert.

Für die Drehbewegung ist ein Rotor 3 auf einem rotierenden Tisch 4 montiert und der rotierende Tisch 4 wird gesteuert durch Aufgeben von einem Drehmonent T direkt durch einen Motor vorzugsweise vom Nichtkontakttyp bestehend aus dem Rotor 3 der Motorspule 2 und dem festen Motorteil 1.

Der Positionsfühler 5 dient zum Messen der Winkelposition (Rotationswinkel) θ des rotierenden Tisches 4 und der Steuerreferenzgenerator 10 dient zur Erzeugung der Positionsreferenz r des rotierenden Tisches 4. Die Steuereinrichtung 11 führt die Positionssteuerung des rotierenden Tisches durch durch Vergleich des Drehwinkels θ mit der Referenz r und durch Steuerung des Stroms i der über den Verstärker 12 in die Motorwicklung 2 fließt und so das Drehmoment τ erzeugt. Wenn man annimmt, daß die Betriebskraft f das Drehmoment τ ist, die Position x (x&sub0;, x&sub1;, x&sub2;, , ) ist die Position θ (θ&sub0;, θ&sub1;, θ&sub2;, , ), die Reibungskraft F (F&sub1;, F&sub2;) ist das Reibungsdrehmoment T (T&sub1;, T&sub2;) und die Masse M ist die Trägheit J, so hat man das gleiche wie das lineare Bewegungssystem. Die experimentellen Daten werden weiter unten wiedergegeben.

Fig. 31 zeigt die Kraft-Verschiebungs-Relation wenn Übergänge zwischen den Bereichen l und II auftreten, Fig. 32 ist eine Ausschnittsvergrößerung aus Fig. 31, Fig. 33 zeigt die Kraft-Verschiebe-Relation wenn Übergänge in den Bereichen II und III stattfinden und Fig. 34 zeigt die Reibungskraft-Geschwindigkeits-Relation der Rollführung.

In Fig. 31 deuten spitzenförmige Ansprechlinien die Übergänge zwischen den Bereichen I und II an. Da alle Spitzen die gleiche Form haben, ist es evident, daß die Charakteristika des Bereichs I für Positionsänderungen nicht variieren. In Fig. 33 zeigt die äußere Schleife die Charakteristika des Bereichs III und die Spitzen deuten die Besonderheiten des Bereichs II an. Demzufolge ändern sich die Charakteristika des Bereichs II bei Positionsänderungen ebenfalls nicht. Bei einer Beschleunigung existiert jegliche statische Reibungskraft nicht wie in Fig. 34 gezeigt ist.

In der Grobpositioniersteuerung ist es von den Daten der Feineinstellpositionen in Fig. 35 evident, daß, wenn der Motor abgeschaltet ist, sie um Δ zurückbewegt wird, und daß es die Vibrationen im Bereich II von etwa 40 Hz gemäß Fig. 36 sind. Darüber hinaus erkennt man aus Fig. 37, daß es sich um die Vibrationen im Bereich I von ungefähr 200 Hz handelt. Wie in Fig. 38 gezeigt ist, ist nach der Grobpositionierung der Motor abgeschaltet. Dann wird umgeschaltet zur Feinpositioniersteuerung und er wird erneut angeschaltet. Dadurch erfolgt eine hochpräzise Positionierung von ungefähr 30 nm durch die nachfolgende Feinpositioniersteuerung. Wenn auf die Feinpositioniersteuerung umgeschaltet ist, ist eine Steuerung mit einer Auflösung oder Fein heit von 1 nm erreichbar.

Wie aus der obigen Erläuterung hervorgeht, wird ein Rollsystem als Führungseinheit gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet. Durch die Verwendung der Federcharakteristik der Rollführung bei sehr kleiner Verschiebung werden das Grobpositioniersystem und das Feinpositioniersystem automatisch und von selbst durch die Charakteristika der Rollführung erreicht. Verglichen mit konventionellen Anordnungen ist es möglich, eine hochpräzise Positionierung im Nanometerbereich nur durch das sogenannte Grobpositioniersystem durchzuführen. Daher kann eine hochpräzise Positionierung durch ein einfaches und ein einziges System erreicht werden und eine Vorrichtung mit hoher Genauigkeit, hoher Geschwindigkeit und hoher Verläßlichkeit bei nur einer Ausbildung geschaffen werden. Insbesondere die Positionierung mit hoher Auflösung und hoher Geschwindigkeit kann erreicht werden durch Verwendung der Eigenschaften der Bereiche I, II und III, welche die Rollführung aufweist und zwar durch Bewegung in Richtung auf den Positionierungszielpunkt durch den Bereich III, wo die Reibungskraft eine Konstante ist und ein stetiger Rollzustand gegeben ist und durch Durchführung der Positionierung im Bereich I der Feder mit hoher Steifigkeit.


Anspruch[de]

1. Hochpräzises Positioniersystem, umfassend ein bewegliches Teil (4) und ein festes Teil (9), die nur über eine Rollführung (8) gegenseitigen Kontakt haben, auf welche Kontaktdruck P ausgeübt wird, eine Einrichtung (1 - 3) zum Antreiben des beweglichen Teils (4) durch einen Nichtkontaktmotor, eine Positionsmeßeinrichtung (5) zum Messen der Position (x) des beweglichen Teils (4), einen Positionsreferenzgenerator (10) zur Erzeugung der Referenzposition (r) des beweglichen Teils (4) und ein Positionierkontroll system (11, 12) zum Kontrollieren der Position des beweglichen Teils (4) durch Vergleich der gemessenen Position (x) mit der Referenzposition (r), dadurch gekennzeichnet, daß das Positionskontrollsystem (11, 12) so ausgebildet ist, daß es in der Lage ist, einen Bewegungsbereich II des beweglichen Teils (4), in dem die Verschiebung des beweglichen Teils (4) von der Antriebskraft abhängt, die von der Antriebseinrichtung (1 - 3) ausgeübt wird, und einen Bewegungsbereich III festzustellen, in welchem die Reibungskraft der Rollführung (8) gesättigt ist und ein normales Rollen stattfindet, und daß das genannte Kontrollsystem (11, 12) darüber hinaus in der Lage ist, eine Grobpositoniereinstellung im Bereich III und eine Feinpositioniereinstellung im Bereich II durchzuführen.

2. Hoch präzises Positioniersystem nach Anspruch 1, bei welchem die mechanischen Charakteristika der Rollführung (8) derart ausgebildet sind, daß innerhalb des Bereichs II ein Bereich 1 existiert, innerhalb dessen die Bewegung des beweglichen Teils (4) einer reversiblen und elastischen Federcharakteristik folgt.

3. Hochpräzises Positioniersystem nach Anspruch 2, bei welchem das Positionierkontrollsystem eine Einrichtung (16) umfaßt zur Klassifizierung des Bewegungsbereichs des beweglichen Teils in eine der drei Bewegungsbereiche (I, II, III) und eine Einrichtung (17) zur Auswahl einer von drei Positionierkontrollen (K&sub1;, K&sub2;, 0) entsprechend dem klassifizierten Bereich.

4. Hochpräzises Positioniersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei welchem die Anordnung so getroffen ist, daß die Rollführung (8) während der Grobpositionierung im Bereich III deformiert wird, und daß das genannte Kontrollsystem (Fig. 19) darüber hinaus so ausgebildet ist, um anzuneh men, daß die Deformation A ist, und wobei die Positionierstellung Xr ist, um die Grobreferenzposition r zu korrigieren als

r' =

r + Δ falls Xr > 0 / r - Δ falls Xr < 0

und

r = Xr

in der Feinpositionierung.

5. Hochpräzises Positioniersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Anordnung so getroffen ist, daß das Positionierkontrollsystem beurteilt, ob die Grobpositionierung im Bereich III sich der Positionierstellung Xr nähert und durch Entladen eines Integrationskondensators (C) eines proportionalintegralen Kontrollkreises über einen Widerstand (R6) den Bereich von III nach II oder von III nach II und I transferiert (Fig. 27).

6. Hochpräzises Positioniersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Anordnung so getroffen ist, daß das Positionierkontrollsystem in der Lage ist zu beurteilen, daß die Grobpositionierung im Bereich III sich der Positionierungsstellung Xr nähert und, durch zwangsweises Zurücksetzen der Kraft des Motors auf Null für eine bestimmte Zeitperiode, den Bereich von III nach II oder von III nach II und I transferiert (Fig. 22).

7. Hochpräzises Positioniersystem nach Anspruch 2 oder 3, wobei das Positionierkontrollsystem so angeordnet ist, daß es beurteilen kann, daß die Positionierstellung Xr innerhalb des Bereichs I liegt, wenn die Positionierung in den Bereichen III und II vollendet ist und in den Bereich I verbracht ist, und daß, wenn die Positionierungsstellung innerhalb des Bereichs I sich befindet, eine Feinpositionierung im Bereich I durchgeführt wird und dann, falls sie nicht im Bereich I ist, eine neue Positionierung im Bereich II in Richtung auf die Positionierungsstellung Xr wiederholt durchgeführt wird (Fig. 28).







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