Automatische Übersetzung anzeigen
Dies ist eine automatisch generierte Übersetzung. Wenn Sie auf den englischen Originaltext zugreifen möchten, klicken Sie hier
#Produkttrends
{{{sourceTextContent.title}}}
Linear-Encoder verbessern die Genauigkeit
{{{sourceTextContent.subTitle}}}
Linear-Encoder erhöhen die Genauigkeit, indem sie Fehler hinter mechanischen Verbindungen korrigieren.
{{{sourceTextContent.description}}}
Linear-Encoder verfolgen die Position der Achse ohne mechanische Zwischenelemente. Die Wegmess-Systeme messen sogar Übertragungsfehler von mechanischen Verbindungen (wie z.B. von rotierenden zu linearen mechanischen Vorrichtungen), was den Steuerungen hilft, von der Maschine verursachte Fehler zu korrigieren. Dank dieser Rückkopplung können die Steuerungen also die gesamte Mechanik in Lageregelkreisen berücksichtigen.
Wie fotoelektrische Abtastung in Drehgebern funktioniert
Viele Präzisions-Linear-Encoder arbeiten mit optischer oder fotoelektrischer Abtastung. Kurz gesagt, ein Lesekopf verfolgt periodische Abstufungen von nur wenigen Mikrometern Breite und gibt Signale mit kleinen Signalperioden aus. Die Maßverkörperung ist in der Regel Glas oder (bei großen Messlängen) Stahl mit periodischen Teilungsmarken auf dem Trägersubstrat. Es handelt sich um eine berührungslose Art der Positionsverfolgung.
Bei Verwendung mit inkrementalen Gitterperioden zwischen 4 und 40 μm arbeiten PRC (absolute) Code-Bildabtast-Linear-Encoder mit Lichtsignalerzeugung. Zwei Gitter (auf dem Maßstab und der Abtastplatte) bewegen sich relativ zueinander. Das Material der Abtastplatte ist transparent, aber das Material des Maßstabs kann transparent oder reflektierend sein. Wenn beide aneinander vorbeilaufen, wird das einfallende Licht moduliert. Wenn sich die Lücken in den Gittern ausrichten, tritt Licht hindurch. Wenn die Linien des einen Gitters mit den Lücken des anderen Gitters zusammenfallen, blockiert es das Licht. Photovoltaikzellen wandeln die Variationen der Lichtintensität in elektrische Signale mit einer sinusförmigen Form um.
Eine weitere Option für Teilungen mit Teilungsperioden von 8 μm und kleiner ist die interferentielle Abtastung. Diese Betriebsart des Linear-Encoders nutzt Beugung und Lichtinterferenz. Als Maßverkörperung dient ein Stufengitter, komplett mit Linien 0,2 μm hoch auf einer reflektierenden Oberfläche. Davor befindet sich ein abtastendes Strichplatten-Durchsichtgitter mit einer Periode, die der des Maßstabs entspricht. Wenn eine Lichtwelle das Fadenkreuz durchläuft, wird sie in drei Teilwellen mit -1, 0 und 1 Ordnung von etwa gleicher Intensität gebeugt. Der Maßstab beugt die Wellen so, dass sich die Lichtintensität in den Beugungsordnungen 1 und -1 konzentriert. Diese Wellen treffen am Phasengitter des Fadenkreuzes wieder aufeinander, wo sie erneut gebeugt werden und interferieren. Dadurch entstehen drei Wellen, die das Abtastabsehen unter verschiedenen Winkeln verlassen. Photovoltaikzellen wandeln dann die wechselnde Lichtintensität in ein elektrisches Ausgangssignal um.
Bei der interferentiellen Abtastung bewirkt die Relativbewegung zwischen Strichplatte und Maßstab, dass die gebeugten Wellenfronten eine Phasenverschiebung erfahren. Wenn sich das Gitter um eine Periode bewegt, verschiebt sich die Wellenfront erster Ordnung um eine Wellenlänge in die positive Richtung und die Wellenlänge der Beugungsordnung -1 verschiebt sich um eine Wellenlänge in die negative Richtung. Die beiden Wellen interferieren miteinander, wenn sie das Gitter verlassen, so dass sie sich relativ zueinander um zwei Wellenlängen verschieben (für zwei Signalperioden aus einer Bewegung von nur einer Gitterperiode).
Zwei Encoder-Abtastvarianten
Einige lineare Wegmesssysteme führen absolute Messungen durch, so dass der Positionswert immer verfügbar ist, wenn die Maschine eingeschaltet ist, und die Elektronik ihn jederzeit referenzieren kann. Es ist nicht erforderlich, Achsen auf eine Referenz zu verfahren. Die Skalenteilung hat eine serielle Absolutcode-Struktur und eine separate Inkrementalspur wird für den Positionswert interpoliert, während gleichzeitig ein optionales Inkrementalsignal erzeugt wird.
Im Gegensatz dazu verwenden Linearmessgeräte, die mit inkrementaler Messung arbeiten, Teilungen mit periodischer Rasterung, und die Messgeräte zählen einzelne Inkremente (Messschritte) von irgendeinem Ursprung aus, um die Position zu erhalten. Da bei diesem Aufbau eine absolute Referenz zur Positionsbestimmung verwendet wird, verfügen die Maßbänder für diese Aufbauten über eine zweite Spur mit einer Referenzmarke.
Die durch die Referenzmarke festgelegte absolute Skalenposition wird mit genau einer Signalperiode angesteuert. Daher muss der Lesekopf eine Referenzmarke lokalisieren und abtasten, um einen absoluten Bezug herzustellen oder um den zuletzt gewählten Bezugspunkt zu finden (was manchmal langhubige Referenzfahrten erfordert).
Lineargeber-Iterationen
Eine Herausforderung bei der Integration von Linearencodern besteht darin, dass die Geräte direkt an der Bewegungsachse arbeiten und somit der Maschinenumgebung ausgesetzt sind. Aus diesem Grund sind einige Linear-Encoder abgedichtet. Ein Aluminiumgehäuse schützt den Maßstab, den Abtastwagen und seine Führung vor Spänen, Staub und Flüssigkeiten, und nach unten gerichtete elastische Lippen dichten das Gehäuse ab. Dabei verfährt der Abtastwagen auf einer reibungsarmen Führung entlang des Maßstabs. Eine Kupplung verbindet den Abtastwagen mit dem Montageblock und gleicht Fluchtungsfehler zwischen Maßstab und Maschinenführungen aus. In den meisten Fällen sind seitliche und axiale Versätze von ±0,2 bis ±0,3 mm zwischen Maßstab und Montageblock zulässig.
Ein typisches Beispiel: Anwendung einer Werkzeugmaschine
Produktivität und Genauigkeit sind bei unzähligen Anwendungen von größter Bedeutung, aber wechselnde Betriebsbedingungen machen diese Konstruktionsziele oft zu einer Herausforderung. Betrachten Sie Werkzeugmaschinen. Die Herstellung von Teilen ist zu immer kleineren Losgrößen übergegangen, daher müssen die Aufspannungen die Genauigkeit unter verschiedenen Belastungen und Hüben aufrechterhalten. Die vielleicht anspruchsvollste ist die Bearbeitung von Teilen für die Luft- und Raumfahrtindustrie, die eine maximale Zerspanungskapazität für Schruppprozesse und dann höchste Präzision für nachfolgende Schlichtprozesse benötigt.
Genauer gesagt erfordert das Fräsen von Qualitätsformen einen schnellen Materialabtrag und eine hohe Oberflächenqualität nach der Endbearbeitung. Gleichzeitig können Maschinen nur mit schnellen Konturvorschüben Teile mit minimalen Bahnabständen innerhalb akzeptabler Bearbeitungszeiten ausgeben. Aber gerade bei kleinen Produktionslosen ist es fast unmöglich, thermisch stabile Bedingungen aufrechtzuerhalten. Das liegt daran, dass der Wechsel zwischen Bohr-, Schrupp- und Schlichtbearbeitungen zu Schwankungen der Werkzeugmaschinentemperaturen beiträgt.
Darüber hinaus ist die Werkstückgenauigkeit der Schlüssel, um Produktionsaufträge rentabel zu machen. Bei den Schruppbearbeitungen steigen die Fräsraten auf 80% oder besser; Werte unter 10% sind beim Schlichten üblich.
Das Problem besteht darin, dass immer höhere Beschleunigungen und Vorschübe eine Erwärmung in den Teilkomponenten der linearen Vorschubantriebe von Maschinen verursachen, insbesondere bei denjenigen, die rotierende, motorgetriebene Kugelgewindetriebe verwenden. Daher ist hier die Positionsmessung zur Stabilisierung der Werkzeugmaschinenkorrekturen für das thermische Verhalten unerlässlich.
Wege zur Lösung von Problemen der thermischen Instabilität
Aktive Kühlung, symmetrische Maschinenstrukturen sowie Temperaturmessungen und -korrekturen sind bereits gängige Methoden, um thermisch induzierte Genauigkeitsänderungen zu behandeln. Ein weiterer Ansatz besteht darin, eine besonders verbreitete Art der thermischen Drift zu korrigieren, nämlich bei rotationsgetriebenen Vorschubachsen mit Kugelumlaufspindeln. Hier können sich die Temperaturen entlang der Kugelgewindespindel mit den Vorschubgeschwindigkeiten und Bewegungskräften schnell ändern. Daraus resultierende Längenänderungen (typischerweise 100 μm/m innerhalb von 20 Minuten) können zu erheblichen Werkstückfehlern führen. Hier gibt es zwei Möglichkeiten, die numerisch gesteuerte Vorschubachse durch die Kugelgewindespindel mit einem Drehgeber oder durch ein Längenmessgerät zu messen.
Bei der ersteren Konfiguration wird ein Drehgeber verwendet, um die Stößelposition aus der Steigung der Vorschubspindel zu bestimmen. Der Antrieb muss also große Kräfte übertragen und als Bindeglied im Messsystem fungieren, um hochgenaue Werte zu liefern und die Spindelsteigung zuverlässig zu reproduzieren. Der Positionsregelkreis berücksichtigt jedoch nur das Verhalten des Drehgebers. Da er verschleiß- oder temperaturbedingte Änderungen der Antriebsmechanik nicht kompensieren kann, handelt es sich eigentlich um einen halbgeschlossenen Regelkreisbetrieb. Positionierfehler des Antriebs werden unvermeidlich und verschlechtern die Werkstückqualität.
Im Gegensatz dazu misst ein Linear-Encoder die Schlittenposition und bezieht die komplette Vorschubmechanik in den Positionsregelkreis ein (für einen wirklich geschlossenen Regelkreis). Spiel und Ungenauigkeiten in den Übertragungselementen der Maschine haben keinen Einfluss auf die Genauigkeit der Positionsmessung. Die Genauigkeit hängt also fast ausschließlich von der Präzision und der Installation des linearen Wegmesssystems ab. Eine Randbemerkung hier: Die direkte Enkodermessung kann auch die Messung von Drehachsenbewegungen verbessern. Traditionelle Aufbauten verwenden Mechanismen zur Geschwindigkeitsreduzierung, die mit einem Drehgeber am Motor verbunden sind, aber hochgenaue Winkelmess-Systeme liefern eine bessere Genauigkeit und Reproduzierbarkeit.
Wie die Konstruktion von Kugelgewindespindeln der Hitze entgegenwirkt
Drei weitere Ansätze zur Behandlung der Wärmeentwicklung von Kugelgewindetrieben haben ihre eigenen Grenzen.
1. Einige Kugelgewindetriebe verhindern die innere Erwärmung (und die Erwärmung der umgebenden Maschinenteile) durch Hohlkerne für den Kühlmittelkreislauf. Aber auch diese weisen eine thermische Ausdehnung auf, und ein Temperaturanstieg von nur 1 K führt zu Positionierfehlern bis 10 μm/m. Das ist signifikant, da herkömmliche Kühlsysteme Temperaturschwankungen von weniger als 1 K nicht halten können.
2. Manchmal modellieren Ingenieure die thermische Ausdehnung der Kugelgewindespindel in der Steuerung. Da das Temperaturprofil während des Betriebs jedoch nur schwer messbar ist und durch den Verschleiß der Kugelumlaufmutter, die Vorschubgeschwindigkeit, die Schnittkräfte, den verwendeten Verfahrbereich und andere Faktoren beeinflusst wird, kann diese Methode erhebliche Restfehler verursachen (bis 50 μm/m).
3. Einige Kugelgewindetriebe werden an beiden Enden fest gelagert, um die Steifigkeit der Antriebsmechanik zu erhöhen. Aber selbst extra steife Lager können die Ausdehnung durch lokale Wärmeentwicklung nicht verhindern. Die daraus resultierenden Kräfte sind beträchtlich und verformen selbst die steifsten Lagerkonfigurationen - manchmal sogar zu strukturellen Verzerrungen der Maschinengeometrie. Mechanische Spannungen verändern auch das Reibungsverhalten des Antriebs, wodurch sich die Konturgenauigkeit der Maschine verschlechtert. Hinzu kommt, dass der Semi-Closed-Loop-Betrieb die Auswirkungen von Lagervorspannungsänderungen aufgrund von Verschleiß oder elastischer antriebsmechanischer Verformung nicht kompensieren kann.