Hallo Mechatroniker!

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Wie alle mechanischen Systeme unterliegen auch Linearachsen einer Reihe von mechanischen Einflüssen, die systembedingt die Positionierung in mehr oder weniger großem Ausmaß verfälschen.
Es gibt Konstruktionsverfahren, Werkstoffe und Technologien, mit denen die Auswirkungen dieser geometrischen Fehler minimiert werden können. Letzten Endes gibt es jedoch für die Verbesserung unserer Systempräzision keine andere Lösung als das Messen und Ausgleichen dieses Fehlers, entweder auf mechanischem oder auf elektronischem Weg.

Schauen wir uns nun die Umgebungsbedingungen an, die sich auf die Achse oder den Linearmotor auswirken können. Zum Beispiel die Ausdehnung aufgrund von Temperaturschwankungen. Hier können wir uns dafür entscheiden, das System in einem temperiertenn Raum zu betreiben oder Werkstoffe einzusetzen auf die dieser Faktor weniger Auswirkungen hat. Etwa Stahl anstelle von Aluminium oder Granit anstelle von Stahl zu verwenden, um die Auswirkungen dieser Temperaturabhängigkeit so weit wie möglich zu reduzieren.
Auf der technologischen Seite kann ein direktes Wegmesssystem eingesetzt werden, der die Position unmittelbar am beweglichen Teil der Linearachse misst. Dadurch werden die Fehler vermieden, die an mechanischen Übersetzungen von Achsen mit Riemen- oder oder von rotativen in translatorisch umgeformten Bewegungen entstehen.
Achsen mit Linearmotor beinhalten diese Option bereits von Haus aus, das vereinfacht weitgehend die Konstruktion von Präzisionssystemen.

Präzisionsmesseinrichtungen

Für das Ausgleichen des Fehlers im Linearsystem ist ein Element benötigt, das es uns ermöglicht diesen Fehler präzise und zuverlässig zu messen.
Es gibt taktile- und andere Kontaktmesseinrichtungen, die für die Kalibrierung von Werkzeugmaschinen zum Einsatz kommen. Für eine hochpräzise Messung in Linearachsen ist aber die Verwendung von Lasertechnologien erforderlich.
Diese Technologie wird bereits seit 150 Jahren eingesetzt. Sie hat sich weiterentwickelt, nicht im Funktionsprinzip, aber doch beim Ausgleichen der Umgebungsfaktoren, die eine zuverlässige Messung mit Auflösungen bis unter 1 µm ermöglichen.

Laser-Interferometer

Die Funktionsweise des Interferometers beruht auf dem Senden eines einfarbigen Laserstrahls, der Frequenz und Wellenlänge über Abstände von mehreren Metern beibehält. Der Laserstrahl wird geteilt und ein Strahl geht in eine feste Messoptik, die als Referenz dient. Der zweite Strahl wird an einer Linse gespiegelt, die sich mit dem Schlitten entlang der Linearachse bewegt.
Mit der Veränderung des Abstands zwischen Laserstrahl und der reflektierenden Linse ändert sich auch die Abweichung zwischen der Referenzwelle und der reflektierten Welle und ermöglicht damit das Messen des zurückgelegten Wegs.
Zusätzlich können mit Hilfe ergänzender Optiken die Fehler bei Winkel, Geradheit und Rechtwinkligkeit gemessen werden.
Einer der Nachteile des Lasers besteht darin, dass die Wellenlänge durch unterschiedliche Umgebungsfaktoren beeinflusst wird (Feuchtigkeit, Luftdruck, Temperatur usw.). Aus diesem Grund beinhaltet ein Interferometer eine Kompensationseinheit, die diese meteorologischen Variablen misst und die erforderlichen Korrekturen auf die Messung anwendet.

interferometro

Lasertracker

Der Lasertracker beruht auf demselben Funktionsprinzip wie der Laser-Interferometer. Aber im Unterschied zu diesem, wenn wir die Linearachse in eine einzige Richtung bewegen.Hier ermöglicht uns der Lasertracker das Messen von Wegen auf allen drei Achsen.
Das System besteht aus einer Kugel mit reflektierenden Linsen, die am Messpunkt der Linearachse oder der Linearachsengruppe montiert wird. Dazu gehört ein Strahlengeneratormit zwei motorisierten Rotationsachsen.
Die kontinuierliche Messung der Kugelposition ermöglicht die Bewegung des Generatorkopfs. Er kann die Kugel verfolgen und zeichnet ihren Verfahrweg als dreidimensionale Bewegungskarte auf.
Wenn wir in dieser Karte feste Referenzpunkte hinzufügen, die zuvor vermessen worden sind erhalten wir eine Messung des Fehlers bei Position, Geradheit, Rechtwinkligkeit, Nickwinkel und Gierwinkel auf allen Achsen des Systems.
Mit einer Verringerung der Präzision, die in diesem System bei etwa 5 µm liegt, schaffen wir die Möglichkeit, Mehrachssysteme zu messen und den Versatz zu ermitteln, der bei der Verbindung von zwei oder mehr Achsen entsteht. Außerdem werden Messlängen von mehr als 50 m erreicht.

Laser

Fehlerkompensation

Nachdem der Fehler an der Linearachse erfasst wurde, müssen nun die entsprechenden Korrekturen für die Kompensation dieses Fehlers vorgenommen werden.
Ein Eingriff auf mechanischer Ebene erfolgt nur dann, wenn ein Fehler großen Ausmaßes vorliegt. Aufgrund der physikalischen Grenzen steigen die Kosten für eine solche Kompensation bei sinkender Fehlergröße. Die elektronische Kompensation dagegen bietet mehr Flexibilität zu vergleichsweise geringeren Kosten.

Kompensationstabellen

Die Kompensationstabelle ermöglicht die Definition einer Reihe von Längsabschnitten auf dem Gesamtweg der Linearachse. Auch die Anwendung einer Korrektur auf jeden Abschnitt, die aus den zuvor gemessenen Fehlern ermittelt wird kann so erfasst werden.
Diese Korrektur kann ein fester Wert sein, also aus der Anwendung eines konstanten Korrekturwerts auf jeden Abschnitt bestehen. Oder sie kann auf einer Interpolation für die Fehlerwerte an dazwischenliegenden Punkten beruhen. Dabei gilt, je größer die Anzahl der definierten Abschnitte, umso mehr nähern wir uns dem realen Wert an, der zu kompensieren ist.
Kompensationstabellen werden innerhalb des Steuerungssystems der Maschine definiert. In manchen Fällen ist diese Funktion jedoch im Servoantrieb selbst integriert, der jede Linearachse steuert. Dann kann die Gesamtberechnung der Linearfehlerkompensation in der numerischen Steuerung entfallen.

Intelligente Linearencoder

Mit den Fortschritten bei der Encoder-Messelektronik und der Verwendung digitaler Kommunikationsprotokolle ist es heute möglich, diese Information in die Elektronik des Encoders selbst einzuspeisen. Auf diese Weise wird die Präzision der Linearachse verbessert, ohne dass eine anschließende Kalibrierung erforderlich ist.
Hier ist darauf hinzuweisen, dass der Messfehler von den Umgebungseigenschaften des Linearachsenherstellers bedingt wird, und dass die Umgebungsbedingungen am endgültigen Standort der Maschine zweifellos anders sind.
Auf jeden Fall ermöglicht diese Kalibrierung eine weitgehende Beseitigung der Fehler, insbesondere derjenigen, die aus mechanischen Mängeln entstehen.

Schlussfolgerung

Für Anwendungen mit Präzisionsanforderungen ist die Kalibrierung der Linearachsen für eine ordnungsgemäße Funktion des endgültigen Gesamtsystems unerlässlich.
Aus diesem Grund ist es wichtig, in der Konstruktionsphase die geeigneten Bestandteile auszuwählen. Es gibt bestimmte Technologien, die den Kalibrierungsprozess vereinfachen. Beispielsweise Linearachsen mit einem direktem Messsystem oder Servoantriebe mit Kompensationstabellen, die eine kürzere Inbetriebnahme und damit entsprechende Einsparungen bei den Arbeitszeitkosten ermöglichen.er Konstruktionsphase die geeigneten Bestandteile auszuwählen. Es gibt bestimmte Technologien, die den Kalibrierungsprozess vereinfachen, beispielsweise Linearachsen mit direktem Messsystem oder Servoantriebe mit Kompensationstabellen, die eine kürzere Inbetriebnahme und damit entsprechende Einsparungen bei den Arbeitszeitkosten ermöglichen.

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Wir sehen uns im nächsten Kapitel!

Bis dahin, alles Gute!

Das SINADRIVES Team.

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