Patent DE 10 2023 118 056

Die fortschreitende Miniaturisierung technischer Produkte führt in vielen Industriebereichen zu einem wachsenden Bedarf an Präzisionsmaschinen, mit denen kleinste Strukturen und Objekte hochgenau vermessen und bearbeitet werden können. Ein neues Regelkonzept zur Kompensation von Störkräften liefert einen großen Beitrag zur Erhöhung der Präzision der dafür notwendigen Antriebssysteme.

Hochdynamische Mehrkoordinaten-Direktantriebssysteme, wie sie im IMMS entwickelt werden, erlauben die Positionierung von Objekten in Arbeitsbereichen von mehreren hundert Millimetern in kürzester Zeit mit Nanometer-Präzision. Der Betrieb erfolgt dabei in einem geschlossenen Regelkreis, d.h. indem ein komplexer Regelalgorithmus aus Messdaten zum Ist-Zustand des Positionierschlittens neue Sollwerte für die Antriebe berechnet. Das neu entwickelte Regelkonzept mit erweitertem dynamischem Beobachter ermöglicht eine sehr effektive Kompensation von Störgrößen und bewirkt so eine deutliche Erhöhung der Antriebspräzision im dynamischen Betrieb.

Die Idee der Erfindung besteht in einem neuartigen Regelkonzept für ein nanometerpräzises Antriebssystem mit drei Antriebs- und Führungselementen (AFE), welche vertikale Bewegungen sowie Kippungen um horizontale Achsen erzeugen. Ein einzelnes AFE enthält neben der aerostatischen Führung zwei parallel wirkende Aktoren zur Erzeugung und Übertragung einer Vertikalkraft auf das bewegte Teil. Erst durch den gemeinsamen geregelten Betrieb der drei AFE wird eine zielgenaue Vertikal- und Kippbewegung des Läufers möglich. Die Neuheit in dem vorgestellten Regelkonzept ist die Realisierung der Entkopplung mit Hilfe eines Störungsschätzers, der als erweiterter dynamischer Beobachter die wirkenden Störkräfte vorhersagt. Diese geschätzten Störungen werden im Regler genutzt, um tatsächlich wirkende Störkräfte zu kompensieren und dem Übersprechen zwischen den Achsen sowie Fehlern oder Umwelteinflüssen, die als Störungen modelliert werden können, entgegenzuwirken.

Vorteile der Erfindung 

• Kompensation von Störkräften, ohne deren genaue Messung
• adaptive Anpassung an langfristige Veränderungen der Störungen
• mehrachsige verkoppelte Positioniersysteme können mit Hilfe von Einzelachsreglern geregelt werden
• Präzisionserhöhung des Mehrachs-Antriebs im dynamischen Betrieb