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Temperaturstabil

Präzisions-Positioniermesssysteme
Temperaturstabil

Automatisierung im Bearbeitungsmaschinenbau heißt schnelles, sicheres und genaues Einfahren von Werkzeug- bzw. Werkstückpositionen. Einen hohen Stellenwert nimmt dabei die Positionsrückmeldung ein.

Johannes Möbius, Numerik Jena GmbH, Jena

Die klassischen Positioniersysteme, bestehend aus Motor, Kugelspindel und Drehgeber (Winkelcodierer), verlieren immer mehr an Bedeutung. Die niedrige Positioniergenauigkeit der Kombination Spindel/Drehgeber – bedingt durch Deformationen unter dem Einfluß statischer und dynamischer Vorschubkräfte, Verschleiß, unkontrollierter Wärmedehnungen und der begrenzten Steigungsgenauigkeiten – kann durch den Einsatz direkter (Maßstab-) Messsysteme um 1 bis 2 Größenordnungen gesteigert werden. Unterstützt wird der Trend zum Einsatz von Linearmesssystemen durch die verstärkte Anwendung von Linearantrieben, die die Kugelspindel sowohl als Antriebselement als auch als Maßverkörperung überflüssig machen. Ob Werkzeugmaschinenbau, Koordinatenmeßtechnik oder Elektronikmaschinenbau, die grundlegend steigenden Anforderungen hinsichtlich Produktivität, Genauigkeit und Zuverlässigkeit sind in all diesen unterschiedlichen Branchen gleich. Die anhaltende Tendenz zu hochdynamischen Direktantrieben generiert auch spezifische, z.T. widersprüchliche Forderungen an die Positioniermesstechnik für diese Maschinen und Geräte.
Hohe Auflösungen
Um hohe Regelverstärkungen in hochdynamischen digitalen Antrieben zu erreichen, die schwingungsarm feinsten Konturen folgen können, sind hohe interne Wegauflösungen in der Steuerung notwendig.
In Messmaschinen steht die hohe Auflösung als kleinster messbarer Wegschritt in engem Zusammenhang mit der erreichbaren Messgenauigkeit. Die Auflösung wird bestimmt durch die Teilungsperiode des Maßstab-Strichrasters und die Signalinterpolation. Hier ist es wichtig, einen praktikablen Kompromiss zu finden. Eine kleine Teilungsperiode (z.B. wenige Mikrometer) verlangt enge Anbautoleranzen für das Messsystem und eine extrem genaue Führung des Messkopfes zum Maßstab. Die technisch möglichen sehr hohen Signalinterpolationsfaktoren haben ihre Grenze in der Interpolationsgenauigkeit, die selbst bei sehr sauberen Signalen nicht besser als 1% der Teilungsperiode sein wird. Daraus ist ersichtlich, daß bei Nutzung von Maßstäben mit großen Teilungsperioden, z.B. einigen 100 µm, leicht ein Missverhältnis von Auflösung zu Interpolationsgenauigkeit auftreten kann.
Durchgesetzt hat sich für optische Wegmesssysteme eine Teilungperiode von 20 µm.
Numerik Jena bietet mit dem LIE 5 ein solches Messsystem an, das durch extreme Kleinheit des kompakten Sensorsystems besticht. Herzstück ist das Epiflex-Messmodul bei dem konsequent auf sämtliche, nicht zur Gesamtfunktion notwendige Elemente verzichtet wurde:
Erstmals ist es gelungen, einen vollwertigen opto-elektronischen Messkopf als „Hybridschaltkreis“ auf einem Glassubstrat anzuordnen. Auf dem Glasträger mit den Abmessungen 8 x 20 mm2 befinden sich 2 Abtastfelder für die Zählspur und ein Feld für die Referenzspur mit jeweils einem Optochip, bestehend aus Fotodiodenarray mit implantierter Leuchtdiode. Weiterhin sind auf dem Mess-modul ein Sensorverstärkerchip zur Signalwandlung, -verstärkung und -überwachung sowie Digitalpotentiometer zum elektronischen Signalabgleich angeordnet. Die Signalschnittstelle ist auf
– Stromsignale 11 µAss,
– Spannungssignale 1 Vss oder
– Rechtecksignale RS 422
programmierbar.
Ein im Messkopf oder im Steckverbinder integrierter Signalinterpolationschip (bis 50-fach-Interpolation) erlaubt Auflösungen bis zu 0,1 µm.
Genauigkeit
Maßgebend im eigentlichen Sinn des Wortes ist der Maßstab eines Linearmesssystemes. Forderungen nach maximalen Positionsabweichungen von 2 µm/m oder weniger sind keine Seltenheit, wobei der Schwerpunkt mehr auf Vermeidung von kurzperiodischen Fehlern liegt, die zu unliebsamen Schwingungungen von Linearantrieben führen können, während langperiodische, meist lineare Fehleranteile kompensiert werden können.
Ein weiteres Kriterium für die Qualität der Maßverkörperung ist ihr Verhalten bei Temperaturänderungen. Dabei kommt es weniger darauf an, eine Wärmedehnung des Maßstabes zu vermeiden, als vielmehr das Verhalten definiert und damit kalkulierbar zu gestalten.
Maßstäbe werden in der Regel aus Glas oder Stahl gefertigt. Positioniertische bestehen aus Gründen geringer Masse häufig aus Aluminium. Zwischen Stahl bzw. Glas und Aluminium bestehen erhebliche Wärmedehnungsunterschiede, die bei Temperaturänderungen zu erheblichen Spannungen und Deformationen führen können.
Bei Kopplung (z.B. durch Kleben) von Maßstab und Träger stellt sich für den Maßstab ein undefinierter thermischer Ausdehnungskoeffizient ein. Als Alternative wird oft ein Maßstab aus einem Werkstoff mit Wärmedehnung „0“ z.B. Glaskeramik wie Zerodur vorgeschlagen. Um die Eigenschaften dieses Werkstoffes zu nutzen, ist eine aufwendige mechanische Entkopplung des Maßstabes von der Montagefläche notwendig. Andernfalls treten die oben genannten Effekte des unbestimmten Wärmedehnungskoeffizienten des montierten Maßstabes noch verstärkt auf und können bis zum Bruch des Maßstabes führen. Weiterhin sollten die Maßstäbe mechanisch so gestaltet werden, daß sich Montagefehler und Unebenheiten der Anbaufläche nicht oder nur in geringem Maße auf die Genauigkeit auswirken. Durch jahrzehntelange Erfahrung und ständige Vervollkommnung von Technik und Technologie ist Numerik Jena in der Lage, Maßverkörperungen mit Teilungsabweichungen bis zu 1 µm/m in Serienfertigung herzustellen. Entscheidend für die Genauigkeit eines Messsystems ist aber nicht nur die Präzision, mit der die Teilung, in diesem Falle das Strichraster, auf den Maßstab aufgebracht wird, sondern auch die gesamte konstruktive Gestaltung des Maßstabes. Maßstäbe mit großem Querschnitt (Dicken von mehreren Millimetern) stellen hohe Anforderungen an die Ebenheit der Auflagefläche. Durch den relativ großen Abstand der Teilung von der neutralen Faser wird die teilungstragende Maßstaboberfläche unter dem Einfluss einer unebenen Unterlage gedehnt oder gestaucht. Bei einer Maßstabdicke (d) von z.B. 3 mm und einer Unebenheit (h) von 0,01 mm, bezogen auf eine Länge (l) von 50 mm, beträgt der daraus resultierende Maßstabfehler (l) 2,4 µm/50 mm nach der Beziehung l = d*4h/l.
Die Konsequenz ist, entweder mit dem Fehler zu leben oder hohen fertigungstechnischen Aufwand und damit hohe Kosten bei der Bearbeitung der Maßstabfassung in Kauf zu nehmen. Eine Alternative wäre, die Dicke des Maßstabes z.B. auf 0,2 mm zu reduzieren. Der Fehler unter dem Einfluß der oben angegebenen Unebenheit ist dann nur noch 0,16 µm/50 mm, also vernachlässigbar. Aber ein anderer Fehlereinfluss macht uns zu schaffen: Das so im Querschnitt geschwächte Maßband hat nur eine geringe Längssteife. Im vorgenannten realistischen Beispiel mit einer Maßbanddicke von 0,2 mm, einer Breite von 8 mm und einer Länge von 1 m beträgt die Längssteife nur 3 µm/N. Beim üblichen Aufbringen des Maßbandes auf eine Unterlage z.B. mit doppelseitigem Klebeband werden leicht Längskräfte von 5 N und damit Längenfehler bis zu 15 µm/m verursacht. Diese Fehler sind nicht konstant und können damit nicht mit einer linearen Fehlerkorrektur kompensiert werden.
Durch einen konstruktiven Trick können beide o.g. Fehlereinflüsse vermieden werden: Das ist in den Doubleflex-Maßbändern durch mechanische Entkopplung der beiden Funktionselemente Maßverkörperung und Befestigung verwirklicht.
Das patentierte Doubleflex-Maßband besteht aus einem Trägerband, das auf der Rückseite ein doppelseitiges Klebeband zur Befestigung trägt. Über eine dünne Adhäsionsschicht ist das Maßband mit dem Trägerband so verbunden, daß es in Längsrichtung auf dem Trägerband „schwimmt“, ohne dass es sich von ihm abheben oder seitlich verschieben kann. An einem Ende ist das Maßband über den Fixpunkt mit der Unterlage fest verbunden. Dadurch werden sämtliche mechanischen Spannungen vom Trägerband aufgenommen und vom Maßband ferngehalten. Wegen der geringen Dicke des Maßbandes von 0,2 mm sind Biege-Einflüsse vernachlässigbar klein.
Das oben beschriebene undefinierte thermische Verhalten von Stahl- oder Glasmaßstäben, die auf einer Unterlage mit von Stahl oder Glas abweichendem thermischen Ausdehnungskoeffizienten befestigt sind, wird mit dem Doubleflex-Prinzip beherrschbar. Durch die Entkopplung des Doubleflex- Maßbandes ist zwar der lineare Wärmedehnungskoeffizient nicht „0“, aber bei jeder Temperatur und unabhängig vom Trägermaterial definiert und reproduzierbar bei 10,5 * 10-6 1/grd. Damit wird der Anwender von Doubleflex-Maßbändern in die Lage versetzt, die hohe Maßbandgenauigkeit von bis zu 1 µm auch nach dem Anbau des Messsystems uneingeschränkt zu nutzen.Selbst bei der Verwendung weniger genauer Maßverkörperungen und der Nutzung einer nachträglichen elektronischen Fehlerkorrektur ist der Einsatz von Doubleflex-Maßbändern beste Wahl, da der Maßstabfehler erst dadurch reproduzierbar und damit korrigierbar wird.
Produktivität beim Maschinenproduzenten
Kernfrage ist, wie schnell und zuverlässig kann ein Maßstab-Messsystem an einer Maschine oder einem Messgerät installiert werden. Bei offenen Messsystemen muß die Zuordnung von Messkopf zu Maßstab durch die Maschinen- oder Geräteführung des Anwenders realisiert werden. Normalerweise erhöhen sich die Anforderungen an Montage- und Justieraufwand mit steigender Auflösung (sinkender Teilungsperiode des Maßstabes). Wie bereits erwähnt, werden bei Numerik Jena die Standard-Maßverkörperungen mit einer Teilungsperiode von 20 µm ausgeführt. Die sich daraus ergebenden Anforderungen an die Montage- und Führungstoleranzen (Grundabstand zwischen Messkopf und Maßstab 6 mm 0,1 mm) sind ohne Probleme einzuhalten. Zur Erleichterung der Maßbandmontage kann eine optional mitgelieferte Vorrichtung verwendet werden, die anstelle des Messkopfes angeschraubt wird. Mit dieser Vorrichtung werden durch die Schlittenbewegung selbstklebende Führungsbänder aufgetragen, die einen „Montagekanal“ für den Maßstab bilden. Damit ist die richtige Position des Maßstabes zum Messkopf und zur Führungsrichtung ohne Justage gewährleistet. Diese Methode ist besonders bei Gesteinsbetten von Vorteil, wo keine Maßstab-Nuten oder Anschlagkanten vorgesehen werden können.
Als Neuerung ist das LIE 5 bei Beibehaltung der ohnehin sehr kleinen Abmessungen mit integrierten optischen Endlagensensoren lieferbar. Damit ergibt sich ein Kostenvorteil, weil die Installation zusätzlicher Schalter und deren Verdrahtung entfallen kann. Nach der Montage von Messkopf und Maßstab besteht die Möglichkeit eines zusätzlichen elektronischen Signalabgleiches. Die analogen Sensorsignale können quantitativ beurteilt und über messsysteminterne Digitalpotentiometer nach Amplitude und Offset optimiert werden. Der Justierzustand wird abgespeichert. Dadurch werden Interpolationsfehler minimiert und Funktionsreserven aktiviert. Besonders geeignet dafür ist der Numerik-Signalmonitor, der einfach über ein Diagnosekabel mit dem Messsystem verbunden wird. Ohne weitere Hilfsmittel wie Oszilloskop und Rechner kann die erwähnte elektronische Justierung in wenigen Minuten erledigt werden. Zusätzlich ist eine komplette Funktionsprüfung des Messsystems möglich.
Produktivität beim Endkunden
Wichtiges Verkaufsargument für Bearbeitungs- und Messmaschinen ist die Senkung der Stückkosten. Einen Beitrag dafür liefert die Erhöhung der Positionier- bzw. Messgeschwindigkeit. Im Zusammenspiel mit Direktantrieben werden Geschwindigkeiten bis 6 m/s und Beschleunigungen bis zu 10g und in Extremfällen auch darüber gefordert. Besonders bei Elektronikmaschinen werden wegen der kleinen Wege und hohen Geschwindigkeiten, die durch Direktantriebe realisiert werden, extreme Beschleunigungen erreicht. Die hohe Grenzfrequenz der fotoelektrischen Abtastung des Epiflex-Messmoduls erlaubt Geschwindigkeiten bis zu 480 m/min (Sinussignale bzw. interpolierte Rechtecksignale für eine Auflösung von 1 µm) oder 80 m/min (Auflösung 0,1 µm). Damit ist das Messsystem selbst bei sehr schnellen Direktantrieben nicht mehr das geschwindigkeitsbegrenzende Element.
Zuverlässigkeit
Lebensdauer und Widerstandsfähigkeit gegenüber Umgebungseinflüssen wie Verschmutzung und elektromagnetische Störfelder sind wichtige Kriterien für den industriellen Einsatz von Messsystemen.
Offene Linearmesssysteme sind dem Einfluss von Schmutz ungeschützt ausgesetzt. Durch besondere Maßnahmen wie große redundande Abtastelder und robuste, leicht zu reinigende Maßstäbe können diese Einflüsse minimiert werden.
Für die Praxis ergeben sich zwei „Anbauphilosophien“:
– Einhausung des Messsystems oder Montage an einer vor Umgebungseinflüssen geschützten Maschinenstelle. Das Messsystem ist dann weitgehend geschützt, aber für Wartungsarbeiten schlecht zugänglich, oder:
– Offener, leicht zugänglicher Einbau, so daß bei Bedarf leicht und unkompliziert gereinigt werden kann. Für diesen Fall ist es vorteilhaft, wenn vom Messsystem ein Selbstüberwachungssignal ausgegeben wird, das, zeitlich ausreichend vor einer Messsystemstörung, ein Signal ausgibt, das zur Wartung auffordert.
Die rechnerische und praktische Ausfallwahrscheinlichkeit des hochintegrierten Epiflex-Sensorsystemes ist extrem niedrig, da nur wenige Verbindungsstellen bestehen und die fast masselosen Bauelemente ihre Zuordnung selbst bei extremen Vibrations- und Schockbeanspruchungen nicht verändern. Dank des redundanden Zweifeld-Abtastsystems werden Fremdkörper auf dem Maßband selbst in der Größe mehrerer mm2 ohne Funktionsstörung verkraftet. Sollte das Maßband nach sehr starker Verschmutzung gereinigt werden müssen, ist das problemlos auch mit Lösungsmittel möglich, da die Struktur nicht als Schicht aufgetragen, sondern in das Grundmaterial Stahl geätzt ist. Sämtliche Numerik Messsysteme können mit einem zusätzlichen Error-Signal ausgerüstet werden, das eine Störung des Messsystems vor dem Ausfall anzeigt.
Integrationsfähigkeit
Ständiger Trend zur Minimierung der Geräteabmessungen und die Notwendigkeit der Plazierung des Messsystems möglichst nahe am Messort zur Vermeidung von Komparatorfehlern stellen immer höhere Anforderungen an die extrem kleine Bauweise des Messsystems (z.B. Einsatz in Bondköpfen).
Weiterhin soll ein Messsystem den Messkreis wenig und im Idealfall überhaupt nicht beeinflussen. Eine Hauptstörgröße der Präzisionsmessung und damit auch der Präzisionspositionierung ist die Temperatur. Aufgabe eines jeden Geräteentwicklers ist es deshalb, Wärmeeintrag in den Messkreis zu minimieren. Die elektrische Verlustleistung eines Messsystemes sollte sehr klein sein, und die nicht vermeidbare Wärmemenge muss auf kurzem Weg abgeleitet werden. Direktantriebe sind zwangsläufig nahe des Messkreises plaziert; damit ergeben sich zur Reduzierung der notwendigen Antriebsleistung und damit der Verlustleistung hohe Anforderungen an geringe Massen aller bewegten Bauteile. Das gilt besonders, wenn hohe Beschleunigungen erreicht werden sollen. Geringe Messkopf- und Maßstabsmassen sind gefordert. Unnötige Antriebskräfte zur Bewegung und Biegung von Messsystem-Signalkabeln können vermieden werden, wenn der Maßstab am beweglichen Maschinenteil befestigt ist. Sollte das nicht möglich sein, werden hochflexible Kabel benötigt. Diese Forderungen werden durch die LIE-Messsysteme durch minimale Messkopf- und Maßstababmessungen in hohem Maße erfüllt. Überall dort, wo aus Platzgründen das ohnehin sehr kleine Standardmesssystem LIE nicht zur Anwendung kommen kann, bietet sich der Einsatz der miniaturisierten und integrationsfähigen Messmodule an. Das Encoder Kit L besteht aus dem Epiflex-Messmodul und dem vom Lie bekannten Maßband. Dieser Bausatz versetzt den Anwender in die Lage, an den jeweiligen Anwendungsfall angepasste Messsysteme in sein Produkt zu integrieren. Am Ort der Messwerterfassung hat das Messsystem einen konkurrenzlos kleinen Querschnitt von ca. 8 x 3 mm2. Optional kann eine Interpolationsplatine (bis 50-fach) mit der Grundfläche von ca. 11 x 19 mm2 über ein Flex-Printkabel angeschlossen werden. Das multifunktionale Messmodul kann auch in Gestalt des Encoder Kit R zur Abtastung von Rasterkreisen modifiziert werden. Numerik Jena bietet in diesem Fall Baugruppen an, die aus dem Epiflex-Messmodul (wahlweise in einem Rahmen gefasst und justiert), Rasterscheibe und optional Signalinterpolations-Platine bestehen. Diese Bauteile sind vom Anwender ohne Kupplung unter Verwendung der geräteinternen Lager direkt in die Erzeugnisse integrierbar. Damit können völlig neue, extrem flache Rundachsen mit minimalen Abmessungen und großen freien Innendurchmessern (z.B. 70 mm freier Innendurchmesser bei einem Außendurchmesser von 100 mm) realisiert werden. Einschließlich mechanischer Messmodulfassung hat das gesamte Messsystem nur eine Bauhöhe von ca. 5 mm. Der Einsatz des Encoder Kit R ist besonders dort empfehlenswert, wo es auf besonders kleine Einbauräume ankommt. Es kann aber Winkelmesssysteme für extrem hohe Auflösung und Genauigkeit in Verbindung mit internen Präzisionslagern und -kupplungen allerdings nicht ersetzen, da die zu erreichende Winkelgenauigkeit in hohem Maße von der Präzision der Justage der Baugruppen beim Anwender abhängt. Darüber hinaus hat der Anwender des Encoder Kit R für den Schutz gegen Verschmutzung zu sorgen. Es bieten sich deshalb besonders Anwendungen unter sauberen Umgebungsbedingungen wie z.B. bei Produktions- und Messmaschinen für die Halbleiterindustrie an. Die Linearmesssysteme einschließlich der Encoder Kits für lineare und rotative Messungen sind auch als vakuumtaugliche sowie magnetfreie Versionen erhältlich.
Halle 4 / 4004
Weitere Informationen A QE 403
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