Entwicklung eines miniaturisierten elektrodynamischen Positioniersystems

Abstract

Zusammenfassung: In dieser Arbeit geht es um die Entwicklung eines direkt linear angetriebenen Positioniersystems. Konventionelle Positioniersysteme haben einen rotatorischen Antrieb, dessen Drehbewegung über ein Getriebe und eine Gewindespindel in eine Translationsbewegung umgesetzt wird. Nachteilig bei diesen Systemen sind Umkehrspiel (Spiel im Antriebsstrang) und Hysterese-Effekte (Verspannungen im Antriebsstrang), welche bei einer Richtungsumkehr auftreten und die Positioniergenauigkeit mindern. Rechnerisch liegt die kleinste Schrittweite im Sub-Nanometerbereich, jedoch wird durch den Stick-Slip-Effekt (Bewegungssprung beim Übergang von Haftreibung zur Gleitreibung) und die beiden zuvor genannten Eigenschaften die kleinste Schrittweite begrenzt. Um diese negativen Einflüsse von Getrieben zu minimieren, bzw. zu eliminieren wurde ein elektrodynamisch angetriebenes Positioniersystem entwickelt, welches ohne Getriebe auskommt. Unter dem elektrodynamischen Prinzip versteht man die zeitlich veränderliche Wirkung einer Kraft auf einen stromdurchflossenen Leiter im magnetischen Feld (z.B. Lautsprecher). In der Arbeit werden mehrere Antriebe auf Basis dieses Wirkprinzips dokumentiert und bewertet. Ein Prototyp des kompaktesten Antriebs - ein Gleichstrom-Linearmotor - wurde konstruiert und gefertigt. Bei diesem Motor befindet sich zwischen zwei Ständerspulen ein beweglicher Dauermagnet hoher Energiedichte. Die Spulen können mit einem Dauerstrom von 100mA betrieben werden. Der Verfahrtisch soll seine Position innerhalb von einer Sekunde einstellen können. Die Genauigkeit der Positionierung soll mindestens 100µm betragen. Zur exakten linearen Führung des zu positionierenden Objekts wurde eine ausführliche Prinzipiensammlung erstellt. Realisiert wurde schließlich die Führung mittels dreier kugelgelagerter Rollen, welche an einem Verfahrtisch befestigt sind. Die Rollen laufen auf zwei fest eingespannten Wellen. Eine der Rollen ist federnd gelagert, damit die Führung spielfrei läuft. Der Stellweg beträgt 12mm. Der Antrieb und die Führung sind für eine Traglast von 10g ausgelegt. Das Objekt, welches auf dem Tisch befestigt ist, soll schließlich noch in eine vom Benutzer vorgegebene Soll-Position gebracht werden. Mittels einer Regelungsschaltung (konnte in dieser Arbeit nicht mehr realisiert werden) soll dann die Stellgröße berechnet werden. Dazu ist es nötig, die genaue Ist-Position zu kennen. In den konstruktiven Aufbau wurde deshalb noch ein inkrementelles Wegmesssystem mit einer Genauigkeit von 25µm integriert