Positionsmesssysteme steuern und regeln Direktantriebe

Um den Faktor 100 genauer

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An Positionsmesssysteme in Regelkreisen von Direktantrieben werden besondere Anforderungen hinsichtlich Wegauflösung und kurzperiodischer Positionsabweichungen gestellt. Sowohl Linearmotor- als auch Torquemotor-Direktantriebe müssen, da mechanische Getriebestufen fehlen, einen weiten Geschwindigkeits- bzw. Drehzahlbereich abdecken. Zur Lage- und Geschwindigkeitsreglung lässt sich ein Messsystem von Numerik Jena nutzen, das störende Einflussgrößen reduziert.

Beim Einsatz im Werkzeugmaschinenbau, in Koordinatenmesssystemen oder im Elektronikmaschinenbau steigen die Anforderungen hinsichtlich Produktivität, Genauigkeit und Zuverlässigkeit. Der Trend, die indirekte Positionsmessung über Drehgeber und Spindel durch das direkte Messen mit Linearmesssystemen zu ersetzen, wird nicht zuletzt durch einen verstärkten Einsatz von Direktantrieben und Linearmotoren gefördert. Die geringe Positioniergenauigkeit der Kombination aus Spindel und Drehgeber, die durch Deformationen unter dem Einfluss statischer und dynamischer Vorschubkräfte hervorgerufen wird, sowie Verschleiß, unkontrollierte Wärmedehnungen und begrenzte Steigungsgenauigkeiten können durch den Einsatz direkter Maßstab-Messsysteme um ein bis zwei Größenordnungen gesteigert werden. Um eine hohe Regelverstärkung in hoch dynamischen digitalen Antrieben zu erzielen, die außerdem schwingungsarm auch feinsten Konturen folgen können, sind hohe interne Wegauflösungen in der Steuerung notwendig.

Für die Geschwindigkeitsregelung mittels solcher Messsysteme wird die Information durch Differenzieren der Weginformation bzw. der Position gewonnen. Besonders bei niedrigen Geschwindigkeiten muss eine ausreichende Menge von Positions-Informationen pro Zeiteinheit vom Meßsystem geliefert werden, damit der Antrieb gleichmäßig und schwingungsfrei arbeiten kann. Deshalb werden Messsystem-Auflösungen im Sub-Mikrometer-Bereich gefordert. Langperiodische Positionsabweichungen, verursacht z.B. durch Ungenauigkeiten der Maßverkörperung (Maßstab bzw. Rasterkreis), Führungsfehler des Schlittens, oder thermische Deformationen beeinflussen das Regelverhalten eines Direktantriebes nicht negativ, sie beeinflussen lediglich seine Positioniergenauigkeit. Diese Abweichungen können z.T. jedoch korrigiert werden.
Kritische Positions- abweichungen
Kurzperiodische Positionsabweichungen hingegen sind besonders kritisch. Weil die Geschwindigkeitsinformation aus der Weginformation durch Differenzieren nach der Zeit gewonnen wird, ergeben sich kurzperiodische virtuelle Geschwindigkeitsänderungen, auf die der Antrieb zur Kompensation mit kurzzeitigen Beschleunigungen bzw. Verzögerungen reagiert. Wegen der hohen Dynamik und geringen Dämpfung eines Direktantriebes führt das zu Schwingungen, Geräuschen und Bearbeitungsspuren z.b. beim Einsatz in einer Werkzeugmaschine. Eine weitere Auswirkung ist die erhöhte Stromaufnahme des Motors, was zu erheblicher Erwärmung des Antriebes führen kann.
Die genannten Positionsabweichungen können durch einen nicht idealen Anbau des Messsystems, eine Verschmutzung der Maßverkörperung bzw. Maßstab und Rasterscheibe sowie durch Toleranzen der Interpolationselektronik verursacht werden. Durch diese Einflussgrößen werden die Sinussignale des optischen Sensors mehr oder weniger stark verzerrt. In der Sin-Cos-Darstellung der Signale ergeben sich Abweichungen von der Kreisform der Lissajous-Figur und Gleichspannungs-/Offset-Anteile. Im Ergebnis der Sinussignal-Interpolation werden unterschiedliche Inkrementlängen innerhalb einer Teilungsperiode bzw. Signalperiode trotz konstanter Verfahrgeschwindigkeit erzeugt. Dieser Fehler wird auch als Interpolationsfehler bezeichnet.
Ein wichtiger Parameter eines Linearmesssystems ist die Teilungsperiode als Abstand zweier Striche der Maßverkörperung. Bei optischen Messsystemen hat sich als Kompromiss zwischen hoher Grundauflösung (kleinster Messschritt ohne Signalinterpolation), Anbautoleranzen und Verfahrgeschwindigkeit ein Wert von 20 µm durchgesetzt. Für die geforderte Auflösung im Sub-Mikrometerbereich müssen die sinusförmigen Rohsignale interpoliert werden.
Im Allgemeinen liegen die Interpolationsfehler für ein optimal angebautes Linearmesssystem mit unverschmutztem Maßstab bei ca. ±1% bis ±2% der Teilungsperiode der Maßverkörperung, d.h. bei 20 µm Teilungsperiode bei ±0,2 µm bis ±0,4 µm. Bei verschmutztem Messsystem oder nicht optimalen Anbau können diese Abweichungen leicht auf den 5- bis10-fachen Wert ansteigen. Die dadurch verursachten Störungen des Antriebes sind erheblich.
Dynamische Signalregelung
Zur Reduzierung dieser Einflussgrößen werden sämtliche Messsysteme von Numerik Jena serienmäßig mit einer dynamischen Signalregelung ausgestattet. Die sinusförmigen Rohsignale des Sensors werden messsystemintern hinsichtlich Gleichspannungs-Offset und Amplitude analysiert und schleppfehlerfrei korrigiert. In den Bildern soll die Wirkung dieser Regelung dargestellt werden. Dazu wurde eine Linerachse mit Direktantrieb verwendet. Das Messsystem wurde zur Darstellung des Effektes vorsätzlich extrem dejustiert.
Im ersten Bild ist der Geschwindigkeitsverlauf bei ausgeschalteter Regelung dargestellt. Deutlich sind die Geschwindigkeitsänderungen zu sehen. Die gelbe Kurve stellt das Überwachungssignal dar, das aus sin2 U + cos2 U gebildet wird und idealerweise den Wert 1 haben sollte. Auch hier ist die deutliche Abweichung zu sehen. Das zweite Bild zeigt den selben Antrieb mit dem gleichen Justierzustand des Sensors, aber mit eingeschalteter Signalregelung. Der Geschwindigkeitsverlauf zeigt nur geringfügige Abweichungen von der Sollgröße und das gelbe Überwachungssignal ist annähernd 1, was auf saubere Sinussignale schließen lässt.
Trotz grober Anbautoleranzen und beachtlicher Maßstabverschmutzungen arbeiten Direktantriebe mit Messsystemen von Numerik Jena zuverlässig und präzise. Direktantriebe mit Messsystemen, die über keine Signalregelung verfügen, zeigen prinzipiell das im ersten Bild gezeigte Verhalten, wenn die Betriebsbedingungen von den Idealbedingungen abweichen.
Aus den vorangegangenen Ausführungen wird außerdem der Vorteil deutlich, den optische Messsystemen bieten. Nichtoptische Messsysteme arbeiten auf Grund ihres Wirkprinzips mit deutlich größeren Teilungsperioden von einigen 10-tel Millimetern bis Millimetern. Die daraus resultierenden periodischen Fehler liegen damit um den Faktor 10 bis 100 höher als bei optischen Messsystemen.

Das LIK 41 von Numerik Jena ist ein offenes Linearmesssystem der Kompaktbaureihe. Extrem kleine Messkopfdimensionen ermöglichen den Einbau auch unter beengten Verhältnisse. Sie bieten hohe Auflösung und Genauigkeit sowie eine hohe Interpolationsgenauigkeit durch die automatische Messsignalregelung. Die Signalverarbeitung erfolgt im 15-poligen D-Sub-Steckverbinder; eine integrierte Signalinterpolation bis 100-fach im Steckverbinder ist ebenfalls möglich. Zum System gehören selbstklebende Doubleflex-Maßbänder, die sich durch ein definiertes thermisches Verhalten auszeichnen.
Das Fachbuch „Technologie der elektrischen Direktantriebe“ von Joachim Klement beschäftigt sich mit der Konstruktion und Herstellung moderner Vorschubsysteme bei Bearbeitungsmaschinen, Messmaschinen, Handlingsachsen sowie Schwenkfräskopf-Baugruppen und liefert praxisnahe Lösungen. Der Autor stellt darin die Vor- und Nachteile linearer und rotativer Direktantriebe gegenüber und erläutert auch die zum Einsatz kommenden Mess- und Regelverfahren. Das Buch ist eine Fundgrube für Konstrukteure und Vertriebsingenieure des Maschinen- und Anlagenbaus (ISBN-13: 978-3-8169-2822-5/Februar 2009).

eA-INFO-TIPP
Das Fachbuch „Technologie der elektrischen Direktantriebe“ von Joachim Klement beschäftigt sich mit der Konstruktion und Herstellung moderner Vorschubsysteme bei Bearbeitungsmaschinen, Messmaschinen, Handlingsachsen sowie Schwenkfräskopf-Baugruppen und liefert praxisnahe Lösungen. Der Autor stellt darin die Vor- und Nachteile linearer und rotativer Direktantriebe gegenüber und erläutert auch die zum Einsatz kommenden Mess- und Regelverfahren. Das Buch ist ein Nachschlagewerk für Konstrukteure und Vertriebsingenieure des Maschinen- und Anlagenbaus:

PRAXIS PLUS
Das LIK 41 von Numerik Jena ist ein offenes Linearmesssystem der Kompaktbaureihe. Extrem kleine Messkopfdimensionen ermöglichen den Einbau auch unter beengten Verhältnisse. Sie bieten hohe Auflösung und Genauigkeit sowie eine hohe Interpolationsgenauigkeit durch die automa- tische Messsignalregelung. Die Signalverarbeitung erfolgt im 15-poligen D-Sub-Steckverbinder; eine integrierte Signalinterpola- tion bis 100-fach im Steckverbinder ist ebenfalls möglich. Zum System gehören selbstklebende Doubleflex-Maßbänder, die sich durch ein definiertes thermisches Verhalten auszeichnen.
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