Positioniermesssysteme

Optisch besser

Positionsmesssysteme für Direktantriebe
Geschwindigkeitsverlauf bei ausgeschalteter Regelung: Deutlich sind die Geschwindigkeitsänderungen zu sehen. Die gelbe Kurve ist das Überwachungssignal und sollte idealerweise den Wert „1“ haben. (Bild: Numerik Jena)
Für Positioniermesssysteme in Regelkreisen mit Direktantrieben gelten besondere Anforderungen hinsichtlich Wegauflösung und kurzperiodische Positionsabweichungen. Optische Messsysteme haben klaren Vorteil.



Translatorische (Linearmotoren) und rotatorische (Torquemotoren) Direktantriebe müssen einen weiten Geschwindigkeits- beziehungsweise Drehzahlbereich abdecken, da mechanische Getriebestufen fehlen. Für die Lage- und Geschwindigkeitsreglung wird ein- und dasselbe Messsystem herangezogen. Für die Geschwindigkeitsregelung wird die Information durch Differenzieren der Weginformation (Position) gewonnen. Besonders bei niedrigen Geschwindigkeiten ist eine ausreichende Menge an Positions-Informationen pro Zeiteinheit vom Messsystem zu liefern, damit der Antrieb gleichmäßig und schwingungsfrei arbeiten kann. Deshalb werden Messsystem-Auflösungen im Sub-Mikrometer-Bereich gefordert.

Langperiodische Positionsabweichungen, verursacht zum Beispiel durch Ungenauigkeiten der Maßverkörperung (Maßstab beziehungsweise Rasterkreis), Führungsfehler des Schlittens oder thermische Deformationen beeinflussen das Regelverhalten eines Direktantriebes nicht negativ, sondern „nur“ die Positioniergenauigkeit. Diese Abweichungen können zum Teil korrigiert werden. Kurzperiodische Positionsabweichungen hingegen sind besonders kritisch. Dadurch, dass 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 oder Verzögerungen reagiert. Wegen der hohen Dynamik und geringen Dämpfung eines Direktantriebes führt das zu Schwingungen, Geräuschen und Bearbeitungsspuren, etwa beim Einsatz in einer Werkzeugmaschine. Eine weitere Auswirkung ist die erhöhte Stromaufnahme des Motors, was zu erheblichen Erwärmungen des Antriebes führen kann. Die genannten Positionsabweichungen können durch folgende Einflüsse verursacht werden: nicht idealer Anbau des Messsystems, Verschmutzung der Maßverkörperung oder Toleranzen der Interpolationselektronik. 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 (Signalperiode) trotz konstanter Verfahrgeschwindigkeit erzeugt. Dieser Fehler wird auch als Interpolationsfehler bezeichnet.

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Wichtiger Parameter eines Linearmesssystems ist die Teilungsperiode (Abstand zweier Striche) der Maßverkörperung. Bei optischen Messsystemen hat sich als Kompromiss zwischen hoher Grundauflösung, Anbautoleranzen und Verfahrgeschwindigkeit ein Wert von 20 Mikrometer durchgesetzt. Für die geforderte Auflösung im Sub-Mikrometerbereich müssen die sinusförmigen Rohsignale interpoliert werden. Üblicherweise liegen Interpolationsfehler für ein optimal angebautes Linearmesssystem mit unverschmutztem Maßstab bei plus/minus einem bis zwei Prozent der Teilungsperiode der Maßverkörperung. Bei verschmutztem Messsystem oder/und nicht optimalem Anbau können diese Abweichungen leicht auf den fünf- bis zehnfachen Wert ansteigen; die dadurch verursachten Störungen des Antriebes sind erheblich. Zur Reduzierung dieser Einflussgrößen werden sämtliche Messsysteme von Numerik Jena serienmäßig mit einer dynamischen Signalregelung ausgestattet. Trotz grober Anbautoleranzen und großen Maßstabverschmutzungen arbeiten Direktantriebe mit Numerik Jena Messsystemen zuverlässig und präzise. Der Vorteil von optischen Messsystemen liegt auf der Hand; nichtoptische Messsysteme arbeiten auf Grund ihres Wirkprinzips mit deutlich größeren Teilungsperioden; die daraus resultierenden periodischen Fehler liegen um den Faktor zehn bis 100 höher als bei optischen Messsystemen. pb

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