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Entwicklung einer Ansteuerung für ein parallelkinematisches Positioniersystem

König, Steffen :
Entwicklung einer Ansteuerung für ein parallelkinematisches Positioniersystem.
Technische Universität Darmstadt
[Haus-, Projekt- oder Studienarbeit], (2003)

Kurzbeschreibung (Abstract)

Zusammenfassung:

Die Einsatzgebiete von mikrostrukturierten Positioniersystemen nehmen überall dort kontinuierlich zu, wo geringer Platzbedarf und hohe Genauigkeit gefordert werden.

Um den großen Montagekostenanteil dieser Systeme zu senken, wird ein neues Konzept entwickelt, welches auf einer monolithischen Parallelkinematik beruht, die von monolithischen Linearantrieben verfahren wird. Die Antriebe beruhen auf dem Inchwormprinzip und besitzen zur Erzeugung der Schrittbewegung je vier Piezoaktoren.

Im Rahmen dieser Studienarbeit wird ein Konzept für die Steuerung eines Positioniersystems mit drei Freiheitsgraden erarbeitet und umgesetzt, das die vorhandenen Komponenten vorangegangener Arbeiten in einem System einbindet. Die Aufgabe beinhaltet die Eingabe der Parameter und Positionsdaten am PC über die Transformation der Zielkoordinaten der Arbeitsplattform in die Antriebsstellwege bis zur Koordination der drei Linearantriebe mit den insgesamt 12 Piezoaktoren über eine µC-Einheit.

Neu an dem Konzept ist die zentrale Koordination der drei Antriebe. Die zur Erzeugung der Vortriebsbewegungen nötigen Rampenfunktionen stellen bei gleichzeitiger Fahrt hohe Anforderungen an den µC:

Die resultierenden 100µm Schrittweg werden im normalen Betrieb mit 4 - 6Bit und zur Feinpositionierung mit 10Bit aufgelöst. Zudem sollen die Daten der Schrittwegmessung im µC in Bezug auf Linearität und Temperaturdrift korrigiert werden. Ziel ist es, damit die Antriebe auf ± 1µm genau positionieren zu können und dabei einen Geschwindigkeitsbereich von von 10mm/s bis 0,1mm/s abzudecken.

Das weiterentwickelte Konzept entlastet den µC indem es eine Unterscheidung in der Beschaltung zwischen Klemm- und Antriebsaktoren der Inchwormantriebe trifft. Diese Piezostapelaktoren werden im Hochspannungsteil mit 0 - 160V angesteuert. Durch die Spezialisierung können 6 teure analoge Hochspannungsverstärker durch günstige digitale Hochspannungstreiber substituiert werden. Zudem teilen sich zwei Antriebsaktoren einen Verstärkerkanal, was zusammen die Kosten um 1000€ und den Platzbedarf um 2/3 senkt.

Die Steuerung kommuniziert mit der PC-Benutzerschnittstelle über die RS232 Schnittstelle mit 115kBaud während auf der Bauteilebene ein SPI-Bus mit ca. 5MHz verwendet wird.

Die Benutzerschnittstelle ist so ausgelegt, dass die transformierten Maschinenkoordinaten auch an einer vorhandenen Schrittmotorsteuerung ausgegeben werden können.

Typ des Eintrags: Haus-, Projekt- oder Studienarbeit
Erschienen: 2003
Autor(en): König, Steffen
Titel: Entwicklung einer Ansteuerung für ein parallelkinematisches Positioniersystem
Sprache: Deutsch
Kurzbeschreibung (Abstract):

Zusammenfassung:

Die Einsatzgebiete von mikrostrukturierten Positioniersystemen nehmen überall dort kontinuierlich zu, wo geringer Platzbedarf und hohe Genauigkeit gefordert werden.

Um den großen Montagekostenanteil dieser Systeme zu senken, wird ein neues Konzept entwickelt, welches auf einer monolithischen Parallelkinematik beruht, die von monolithischen Linearantrieben verfahren wird. Die Antriebe beruhen auf dem Inchwormprinzip und besitzen zur Erzeugung der Schrittbewegung je vier Piezoaktoren.

Im Rahmen dieser Studienarbeit wird ein Konzept für die Steuerung eines Positioniersystems mit drei Freiheitsgraden erarbeitet und umgesetzt, das die vorhandenen Komponenten vorangegangener Arbeiten in einem System einbindet. Die Aufgabe beinhaltet die Eingabe der Parameter und Positionsdaten am PC über die Transformation der Zielkoordinaten der Arbeitsplattform in die Antriebsstellwege bis zur Koordination der drei Linearantriebe mit den insgesamt 12 Piezoaktoren über eine µC-Einheit.

Neu an dem Konzept ist die zentrale Koordination der drei Antriebe. Die zur Erzeugung der Vortriebsbewegungen nötigen Rampenfunktionen stellen bei gleichzeitiger Fahrt hohe Anforderungen an den µC:

Die resultierenden 100µm Schrittweg werden im normalen Betrieb mit 4 - 6Bit und zur Feinpositionierung mit 10Bit aufgelöst. Zudem sollen die Daten der Schrittwegmessung im µC in Bezug auf Linearität und Temperaturdrift korrigiert werden. Ziel ist es, damit die Antriebe auf ± 1µm genau positionieren zu können und dabei einen Geschwindigkeitsbereich von von 10mm/s bis 0,1mm/s abzudecken.

Das weiterentwickelte Konzept entlastet den µC indem es eine Unterscheidung in der Beschaltung zwischen Klemm- und Antriebsaktoren der Inchwormantriebe trifft. Diese Piezostapelaktoren werden im Hochspannungsteil mit 0 - 160V angesteuert. Durch die Spezialisierung können 6 teure analoge Hochspannungsverstärker durch günstige digitale Hochspannungstreiber substituiert werden. Zudem teilen sich zwei Antriebsaktoren einen Verstärkerkanal, was zusammen die Kosten um 1000€ und den Platzbedarf um 2/3 senkt.

Die Steuerung kommuniziert mit der PC-Benutzerschnittstelle über die RS232 Schnittstelle mit 115kBaud während auf der Bauteilebene ein SPI-Bus mit ca. 5MHz verwendet wird.

Die Benutzerschnittstelle ist so ausgelegt, dass die transformierten Maschinenkoordinaten auch an einer vorhandenen Schrittmotorsteuerung ausgegeben werden können.

Freie Schlagworte: Elektromechanische Konstruktionen, Mikro- und Feinwerktechnik, 3D-Positionierung, Hochspannungsschalter, Inchworm, Kalibrierung, Piezoansteuerung, Positioniergenauigkeit, Positionsberechnung, Positionsbestimmung absolut, Positionsbestimmung relativ, Schrittmotorenansteuerung
Fachbereich(e)/-gebiet(e): Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik
Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik > Institut für Elektromechanische Konstruktionen
Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik > Institut für Elektromechanische Konstruktionen > Mikrotechnik und Elektromechanische Systeme
Hinterlegungsdatum: 07 Sep 2011 10:33
Zusätzliche Informationen:

EMK-spezifische Daten:

Lagerort Dokument: Archiv EMK, Kontakt über Sekretariate,

Bibliotheks-Sigel: 17/24 EMKS 1547

Art der Arbeit: Studienarbeit

Beginn Datum: 01-07-2003

Ende Datum: 31-12-2003

Querverweis: 17/24 EMKS 1514, 17/24 EMKD 1519

Studiengang: Wirtschaftsingenieur Elektrotechnik und Informationstechnik (WI-ETiT)

Vertiefungsrichtung: Mikro- und Feinwerktechnik (MFT)

Abschluss: Diplom (WiET)

ID-Nummer: 17/24 EMKS 1547
Gutachter / Prüfer: Jungnickel, Dipl.-Ing. Uwe ; Schlaak, Prof. Dr.- Helmut Friedrich
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