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#Produkttrends
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Die Grenzen der linearen Genauigkeit ausreizen
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Eine gerade, präzise Bewegung ist alles andere als einfach.
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Geradlinige, präzise Bewegungen sind alles andere als einfach, und lineare Positioniergeräte beweisen dies, indem sie sich nicht in einer, sondern in drei Dimensionen irren
Gerade als man dachte, man hätte das Konzept der "linearen Bewegung" festgenagelt - man trifft auf der Geraden die erforderlichen Punkte und ist zu Hause - da kommen die restlichen fünf Freiheitsgrade, um die Party zu sprengen. Aus einer groben Perspektive betrachtet, stimmt es zwar, dass ein Linearschlitten hauptsächlich entlang einer Achse (der so genannten X-Achse) verfährt, aber alle konstruierten Teile weisen Unvollkommenheiten auf, und mit unserem ständig wachsenden Bedarf an Genauigkeit und Präzision muss auch unsere Aufmerksamkeit für Details entsprechend voranschreiten.
Um die Systemgenauigkeit gründlich zu beschreiben, müssen wir also alle sechs Freiheitsgrade berücksichtigen, d.h. die Translation in der X-, Y- und Z-Achse und die Rotation um die gleiche Achse.
Bedenken hinsichtlich der Unterbringung
Zunächst einmal sollten wir eine klare Definition der wichtigsten Positionierungsparameter festlegen. Auch wenn die meisten Ingenieure mit den Begriffen Genauigkeit, Wiederholbarkeit und Auflösung vertraut sind, werden sie in der Praxis häufig missbräuchlich verwendet. Die Genauigkeit ist die am schwierigsten zu erreichende der drei Parameter, gefolgt von der Wiederholbarkeit und schließlich der Auflösung. Die Genauigkeit erklärt, wie nahe sich ein System in Bewegung einer Kommandoposition nähert, einer exakten Position, die im theoretischen X-Y-Z-Raum liegt.
Wiederholbarkeit oder Präzision bezieht sich dagegen auf den Fehler zwischen aufeinanderfolgenden Versuchen, sich aus zufälligen Richtungen an den gleichen Ort zu bewegen. Ein perfekt wiederholbares lineares System kann hochgradig ungenau sein - es könnte in der Lage sein, immer wieder die gleiche Stelle zu erreichen, die zufällig weit von der befohlenen entfernt ist. Ein Beispiel: Eine Gewindespindel mit einer stark vorgespannten Folgemutter, aber mit einem erheblichen Steigungs- oder "Steigungs"-Fehler, könnte eine gute Wiederholbarkeit bei gleichzeitig schlechter Genauigkeit aufweisen. Durch die Vorspannung wird die Mutter in ihrer axialen Position starr gehalten, wodurch das Spiel reduziert oder eliminiert wird und sichergestellt wird, dass die Mutter und der Lastweg konsistent der Rotation der Gewindespindel entsprechen. Der Steigungsfehler wirft jedoch das beabsichtigte Verhältnis von Drehung zu Übersetzung aus dem Gleichgewicht, so dass das System ungenau ist.
Die Auflösung ist das kleinste realisierbare Bewegungsinkrement. Wenn z.B. die Befehlsposition 2 μm entfernt liegt, die Auflösung des Systems aber 4 μm beträgt, kann die Genauigkeit nicht besser als 2 μm sein. Unter diesen Umständen hat das System nicht die Auflösung, um näher an die gewünschte Position heranzukommen.
Damit ein System genau ist, müssen alle seine Komponenten genau und wiederholbar sein und eine ausreichende Auflösung bieten. Obwohl ein System zwar eine gute "Führungsgenauigkeit", aber eine schlechte Wiederholbarkeit bieten kann (d.h. das System bildet eine zufällige Streuung um den Kommandopunkt), kann die Gesamtgenauigkeit des Systems nicht besser als seine Wiederholbarkeit sein.
Geführte Maßnahmen
Linearbewegungsvorrichtungen bestehen aus zwei wesentlichen Komponenten, einer Linearführung und einer Vorrichtung zur Erzeugung von Schubkraft. Die Führung ist dafür verantwortlich, die Bewegung in 5 der 6 im dreidimensionalen Raum verfügbaren Freiheitsgrade zu begrenzen. Die ideale Führung erlaubt keine Translation in der Y- und Z-Achse und keinerlei Rotation um eine der Achsen. Von der Schubvorrichtung (üblicherweise eine Leit- oder Kugelumlaufspindel) wird natürlich erwartet, dass sie nur in der unbehinderten Achse eine Bewegung erzeugt. Es ist zweckmäßig, die Genauigkeit dieser beiden Komponenten getrennt zu bewerten und dann die Ergebnisse zu kombinieren, um die Gesamtgenauigkeit zu bestimmen.
Sehen wir uns zunächst den Leitfaden an. Eine Linearführung kann unter mehreren Fehlerquellen leiden: Krümmung nach oben und unten oder von Seite zu Seite - mit anderen Worten: Abweichungen in der Ebenheit und Geradheit; Höhenschlag; und Diskontinuitäten zwischen Führung und Mitnehmer.
Ebenheit und Geradlinigkeit sind die häufigsten Bedenken, da sie in der Regel am größten sind. Eine perfekt gefertigte Führung bewegt sich entlang einer Ebene parallel zur X-Y-Ebene und darüber hinaus entlang einer Linie parallel zur X-Achse. Ein Ebenheitsfehler ist im Wesentlichen eine Abweichung von der X-Y-Ebene. Er kann eine einfache Krümmung in einer oder zwei Richtungen umfassen. Ein Ebenheitsfehler erzeugt immer eine Verschiebung in der (vertikalen) Z-Achse. Abhängig von der Ausrichtung der Krümmung kann er eine Nickdrehung um die Y-Achse, ein Rollen um die X-Achse (der Fall mit zweidimensionaler Verwerfung) oder beides verursachen. Verwölbung kann auch eine leichte Translation in der Y-Achse erzeugen, die senkrecht zur gewünschten Bewegung steht.
Ein Geradheitsfehler führt dazu, dass die Bewegungslinie des Schlittens die Parallele zur X-Achse verlässt und sich in ±Y-Richtung krümmt. Neben der Verschiebung in der Y-Achse induziert er eine Gierdrehung um die Z-Achse.
Der Höhenschlag ist eine systematische Änderung der Höhe der Linearführung während der Verschiebung. Dies kann auf Ungenauigkeiten bei der Herstellung der Lagerflächen zurückzuführen sein, wodurch eine Verschiebung in der Z-Achse entsteht. Die meisten Führungshersteller geben neben der Geradheit auch die Ebenheit oder den Höhenschlag an. Es ist möglich, dass eine Linearführung eine sofortige Y- oder Z-Verschiebung ohne Drehung hervorruft, aber die Größenordnung dieser Größen ist normalerweise gering. Der Mitnehmer der Linearführung neigt dazu, die Unvollkommenheiten über seine Länge zu verteilen und plötzliche Verschiebungen quer zur gewünschten Bewegung zu unterdrücken.
Die Auswirkung der Drehung auf die Genauigkeit hängt davon ab, wo sich der interessierende Punkt relativ zum Positionsreferenzgerät befindet, bei dem es sich vielleicht um die Leitspindel selbst oder eine lineare Skala für die Rückmeldung handelt. In beiden Fällen bildet die Position des Geräts die Messlinie, parallel zur gewünschten Bewegungsrichtung. Der interessierende Punkt, der der Zielpunkt des linearen Bewegungssystems ist, kann jedoch von der Messlinie versetzt sein. Jede Drehung verursacht daher unterschiedliche Bogenlängen. Und die tatsächliche Bewegungsdistanz wird von der auf der Skala registrierten Distanz je nach Umfang der Drehung und des Versatzes abweichen. Je größer der Versatz, desto größer sind die Translationsfehler aufgrund von Rotationen - bekannt als Abbé-Fehler. Wenn die Leitspindel selbst als Referenzvorrichtung verwendet wird, ist die Messlinie mittig. Typischerweise werden jedoch seitlich montierte Linear-Encoder verwendet. Dies könnte die Bedingungen für den Abbé-Fehler verschlechtern oder verbessern, abhängig von der Lage des interessierenden Punktes (er ist nicht immer mit dem Schlitten und der Leitspindel ausgerichtet).
Im Gegensatz dazu bleiben reine Translationsfehler in der Y- und Z-Achse aufgrund von Diskontinuitäten und Höhenschlag unabhängig vom interessierenden Punkt konstant. Fehler durch Rotationen können weitaus trügerischer sein. Es ist im Allgemeinen einfacher und kostengünstiger, den Versatz zu minimieren, als ein Positionierungssystem mit präziseren Führungen zu bauen.
Fehler beim Fahren
Schub kann auf viele Arten erzeugt werden. Übliche Hochpräzisionsgeräte sind Gewindespindeln, Kugelumlaufspindeln und Linearmotoren. Gewindespindeln und Kugelumlaufspindeln erzeugen einen spezifischen Fehlertyp, der ihrer Natur eigen ist. Wenn sich die Spindel dreht, bewegt sich der Mitnehmer auf einer schraubenförmigen Bahn und wandelt die Drehbewegung in eine lineare Bewegung um. Da der Steigungswinkel nie perfekt ist, ist mit einem Unter- oder Überlauf zu rechnen. Dies kann zyklisch (bekannt als 2π Fehler) oder systematisch (gemessen als durchschnittlicher Fehler pro 300 mm Verfahrweg) erfolgen. Es können auch Zwischenfrequenzen von Oszillationen oder Wegänderungen auftreten. Der mittlere Fehler lässt sich durch Reglerkompensation leicht beseitigen. Die Zwischen- und zyklischen Fehler lassen sich nur schwer beseitigen. Eine präzisionsgeschliffene Schraube der Klasse C3 hat einen mittleren oder systematischen Fehler von 8 μm und einen 2π Fehler von 6 μm. Bei Schrauben geringerer Präzision wird der 2π Fehler nicht gemeldet, da er im Verhältnis zum durchschnittlichen Fehler unbedeutend ist. Der durchschnittliche "Steigungs"-Fehler ist für alle Spindeln der Positionierklasse aufgeführt.
Eine Steig- oder Kugelumlaufspindel kann zusammen mit einem Linearencoder verwendet werden, um die Ist-Position an die Steuerung zurück zu übertragen. Dadurch entfällt die Notwendigkeit einer extrem hohen Genauigkeit bei der Gewindeform der Spindel. Skalierbarkeit und Regelkreisabstimmung sind dann die begrenzenden Faktoren für die Lineargenauigkeit.
Linearmotoren regulieren die Bewegung auf der Grundlage der Rückkopplung von einem Linearencoder oder einer anderen derartigen Abtastvorrichtung. Die Genauigkeit und Auflösung der Rückkopplungsvorrichtung begrenzt die Systemgenauigkeit, ebenso wie die Systemabstimmung, die bei jeder Servoanwendung eine wichtige Rolle spielt. Für die Abstimmung wird ein Totband gewählt, so dass der Schlitten, sobald er eine Position innerhalb dieses Bereichs erreicht, nicht mehr pendelt. Dies verkürzt die Einschwingzeit, verringert aber auch die Wiederholbarkeit und Auflösung des Geräts. Da es jedoch keine mechanischen Zwischenelemente gibt, um Systemspiel, Haftreibung, Durchbiegung und ähnliches einzuführen, sind Linearmotoren in der Lage, die Genauigkeit eines Systems mit Steig- oder Kugelumlaufspindel zu übertreffen.
Summe der Teile
Um die Gesamtgenauigkeit entlang einer Verfahrachse zu bestimmen, müssen die Fehler von Führung und Schubvorrichtung kombiniert werden. Rotationsfehler werden am interessierenden Punkt in Translationsfehler umgewandelt. Dieser Fehler kann dann mit anderen Translationsfehlern in der gleichen Richtung kombiniert werden.
Der Abbé-Fehler wird berechnet, indem der Tangens der gesamten Winkeländerung um die Rotationsachse mit dem Versatzabstand multipliziert wird. Für jede Drehung sollte der Versatz in der Ebene senkrecht zur Drehachse genommen werden. Die einzige Möglichkeit, den Abbé-Fehler praktisch zu eliminieren, besteht darin, das Rückmeldegerät am interessierenden Punkt zu positionieren.
Sobald die Translationsfehler der Führung in jeder Richtung berechnet sind, können sie mit dem Fehler der Schubvorrichtung kombiniert werden, der nur zu Fehlern entlang der X-Achse beiträgt, und der Gesamtsystemfehler wird quantifiziert.
Wenn Sie ein einachsiges Linearbewegungsgerät analysieren, können Sie einfach die Translationsfehler für jede Richtung mit Ihren Positionierungsanforderungen vergleichen. Wenn eine Achse einen inakzeptablen Fehler aufweist, können Sie die Fehlerkomponenten dieser Achse einzeln nacheinander ansprechen.
Wenn es sich um ein mehrachsiges System mit mehreren linearen Bewegungsbaugruppen handelt, haben Sie immer noch nur einen Punkt von Interesse; er ist für jede Achse derselbe. Die Achse, die am weitesten vom interessierenden Punkt entfernt ist, hat das höchste Potenzial für Abbé-Fehler. Übersetzungsfehler aus jeder Stufe können am interessierenden Punkt summiert werden, um den Gesamtsystemfehler zu bestimmen. Allerdings muss jetzt auch die Orthogonalität zwischen den Achsen berücksichtigt werden. Dies ergibt eine reine Translation. Im Falle einer X-Y-Stufe beispielsweise führt eine Schrägstellung der Y-Achse gegenüber der X-Achse zu einer zusätzlichen X-Verschiebung, wenn die Y-Achse verfahren wird. Diese kann durch Trigonometrie oder durch direkte Messung des Versatzes bestimmt werden. Denken Sie daran, dass Translationen im Gegensatz zu Rotationen unabhängig vom Offset, dem Abstand zum interessierenden Punkt, sind. Sie können den Orthogonalitätsversatz direkt zu Ihrem Gesamtfehlerbudget hinzufügen.
Schließlich ist zu bedenken, dass der Begriff "Genauigkeit" ziemlich frei verwendet wird und oft für Interpretationen offen gelassen werden kann. Manchmal bezieht sich die zitierte Genauigkeitsspezifikation nur auf die Positionierschraube. Diese Art der skizzenhaften Darstellung kann irreführend sein. Beispielsweise könnte ein Konstrukteur daran denken, die Systemgenauigkeit durch Verbesserung des durchschnittlichen Steigungsfehlers zu verbessern, wenn das Problem tatsächlich auf einem Abbé-Fehler beruht. Nicht der optimale Ansatz. Oftmals gibt es eine einfache und wirtschaftliche geometrische Lösung, sobald die Fehlerquelle identifiziert ist.