Lineare Encoder erhöhen die Genauigkeit, indem sie Fehler nachgelagert von mechanischen Verbindungsgliedern korrigieren.

Lineare Encoder erfassen die Achsenposition ohne mechanische Zwischenelemente. Sie messen sogar Übertragungsfehler von mechanischen Verbindungen (wie z. B. Dreh-Linear-Wandlern), was der Steuerung hilft, maschinenbedingte Fehler zu korrigieren. Dadurch kann die Steuerung alle mechanischen Komponenten in Positionsregelkreisen berücksichtigen.

Wie die fotoelektrische Abtastung in Encodern funktioniert

Viele Präzisions-Linear-Encoder arbeiten mit optischer oder fotoelektrischer Abtastung. Kurz gesagt: Ein Lesekopf erfasst periodische Markierungen von wenigen Mikrometern Breite und gibt Signale mit kurzen Perioden aus. Als Messnormal dient üblicherweise Glas oder (bei größeren Messlängen) Stahl mit periodischen Markierungen – auf dem Trägermaterial. Es handelt sich um eine berührungslose Positionserfassung.

Bei Verwendung mit inkrementellen Gitterperioden zwischen 4 und 40 μm arbeiten lineare PRC-Code-Bildabtast-Encoder (mit absoluter Codierung) mit Lichtsignalgenerierung. Zwei Gitter (auf der Skala und dem Abtastraster) bewegen sich relativ zueinander. Das Material des Abtastrasters ist transparent, das der Skala kann transparent oder reflektierend sein. Beim Passieren der beiden Gitter wird das einfallende Licht moduliert. Stimmen die Gitterlücken überein, kann das Licht hindurchtreten. Stimmen die Linien des einen Gitters mit den Lücken des anderen überein, wird das Licht blockiert. Photovoltaikzellen wandeln die Änderungen der Lichtintensität in elektrische Signale mit sinusförmiger Form um.

Eine weitere Möglichkeit zur Messung von Skalen mit Gitterperioden von 8 μm und kleiner ist die Interferenzabtastung. Dieser lineare Codierer nutzt Beugung und Lichtinterferenz. Ein Stufengitter mit 0,2 μm hohen Linien auf einer reflektierenden Oberfläche dient als Messstandard. Davor befindet sich ein Abtastraster – ein transparentes Gitter mit einer Periode, die der der Skala entspricht. Beim Durchgang durch das Raster wird eine Lichtwelle in drei Teilwellen der Ordnungen -1, 0 und 1 mit annähernd gleicher Intensität gebeugt. Die Skala beugt die Wellen so, dass sich die Lichtintensität in den Beugungsordnungen 1 und -1 konzentriert. Diese Wellen treffen am Phasengitter des Rasters erneut aufeinander, werden ein weiteres Mal gebeugt und interferieren. Dadurch entstehen drei Wellen, die das Abtastraster unter verschiedenen Winkeln verlassen. Photovoltaikzellen wandeln die wechselnde Lichtintensität in ein elektrisches Ausgangssignal um.

Bei der Interferenzabtastung bewirkt die Relativbewegung zwischen Retikel und Skala eine Phasenverschiebung der gebeugten Wellenfronten. Verschiebt sich das Gitter um eine Periode, bewegt sich die Wellenfront erster Ordnung um eine Wellenlänge in positiver Richtung, die Wellenfront erster Ordnung um eine Wellenlänge in negativer Richtung. Beim Austritt aus dem Gitter interferieren die beiden Wellen miteinander und verschieben sich dadurch relativ zueinander um zwei Wellenlängen (bei einer Bewegung des Gitters um eine Periode um zwei Signalperioden).

Zwei Encoder-Abtastvarianten

Einige Linear-Encoder ermöglichen absolute Messungen, sodass der Positionswert bei laufender Maschine stets verfügbar ist und von der Elektronik jederzeit abgerufen werden kann. Ein Achsenverschieben auf einen Referenzpunkt ist nicht erforderlich. Die Skaleneinteilung verfügt über eine serielle Absolutwert-Codestruktur, und eine separate Inkrementalspur interpoliert den Positionswert, während gleichzeitig optional ein Inkrementalsignal generiert wird.

Im Gegensatz dazu verwenden lineare Encoder, die mit inkrementeller Messung arbeiten, Skalen mit periodischem Gittermuster. Die Encoder zählen einzelne Inkremente (Messschritte) von einem Nullpunkt aus, um die Position zu bestimmen. Da diese Anordnung eine absolute Referenz zur Positionsbestimmung nutzt, verfügen Skalenbänder für diese Systeme über eine zweite Spur mit einer Referenzmarke.

Die durch die Referenzmarke festgelegte absolute Skalenposition wird mit genau einer Signalperiode getaktet. Daher muss der Lesekopf eine Referenzmarke lokalisieren und abtasten, um eine absolute Referenz zu etablieren oder den zuletzt ausgewählten Bezugspunkt zu finden (was mitunter Referenzfahrten mit langem Hub erfordert).

Iterationen des linearen Encoders

Eine Herausforderung bei der Integration von Linear-Encodern besteht darin, dass die Geräte direkt an der Bewegungsachse arbeiten und somit der Maschinenumgebung ausgesetzt sind. Aus diesem Grund sind einige Linear-Encoder gekapselt. Ein Aluminiumgehäuse schützt die Skala, den Abtastwagen und dessen Führungsbahn vor Spänen, Staub und Flüssigkeiten. Nach unten gerichtete elastische Dichtlippen dichten das Gehäuse ab. Der Abtastwagen gleitet reibungsarm entlang der Skala. Eine Kupplung verbindet den Abtastwagen mit dem Montageblock und gleicht Fluchtungsfehler zwischen Skala und Maschinenführungen aus. In den meisten Fällen sind seitliche und axiale Abweichungen von ±0,2 bis ±0,3 mm zwischen Skala und Montageblock zulässig.

Beispiel: Werkzeugmaschinenanwendung

Produktivität und Genauigkeit sind für unzählige Anwendungen von größter Bedeutung, doch wechselnde Betriebsbedingungen stellen die Erreichung dieser Konstruktionsziele oft vor große Herausforderungen. Nehmen wir Werkzeugmaschinen als Beispiel. Die Teilefertigung hat sich hin zu immer kleineren Losgrößen verlagert, sodass die Aufspannung unter verschiedenen Belastungen und Hüben die Genauigkeit gewährleisten muss. Besonders anspruchsvoll ist die Bearbeitung von Luft- und Raumfahrtteilen, die maximale Zerspanungsleistung für die Schruppbearbeitung und anschließend höchste Präzision für die nachfolgenden Schlichtbearbeitungsprozesse erfordert.

Genauer gesagt erfordert das Fräsen von hochwertigen Formen einen schnellen Materialabtrag und eine hohe Oberflächenqualität nach der Bearbeitung. Gleichzeitig ermöglichen nur hohe Vorschubgeschwindigkeiten beim Konturfräsen die Fertigung von Teilen mit minimalen Bahnabständen innerhalb akzeptabler Bearbeitungszeiten. Gerade bei kleinen Produktionslosgrößen ist es jedoch nahezu unmöglich, thermisch stabile Bedingungen aufrechtzuerhalten. Denn die Temperaturschwankungen zwischen Bohr-, Schrupp- und Schlichtbearbeitung führen zu Temperaturänderungen in der Werkzeugmaschine.

Darüber hinaus ist die Werkstückgenauigkeit entscheidend für die Rentabilität von Fertigungsaufträgen. Beim Schruppen steigt die Fräsleistung auf 80 % oder mehr; Werte unter 10 % sind beim Schlichten üblich.

Das Problem besteht darin, dass zunehmend hohe Beschleunigungen und Vorschubgeschwindigkeiten zu Erwärmung in den Komponenten der Linearantriebe von Maschinen führen, insbesondere bei solchen mit Kugelgewindetrieben, die von Rotationsmotoren angetrieben werden. Daher ist hier eine Positionsmessung unerlässlich, um die Korrekturen der Werkzeugmaschine hinsichtlich des thermischen Verhaltens zu stabilisieren.

Möglichkeiten zur Behebung von Problemen mit thermischer Instabilität

Aktive Kühlung, symmetrische Maschinenstrukturen sowie Temperaturmessungen und -korrekturen sind bereits gängige Methoden, um thermisch bedingte Genauigkeitsänderungen zu kompensieren. Ein weiterer Ansatz besteht darin, eine besonders häufige Form der thermischen Drift zu korrigieren – die von rotationsmotorisch angetriebenen Vorschubachsen mit Kugelumlaufspindeln. Hierbei können sich die Temperaturen entlang der Kugelumlaufspindel mit den Vorschubgeschwindigkeiten und den Bewegungskräften rapide ändern. Die daraus resultierenden Längenänderungen (typischerweise 100 µm/m innerhalb von 20 Minuten) können erhebliche Werkstückfehler verursachen. Zwei Möglichkeiten bieten sich hierfür an: die Messung der numerisch gesteuerten Vorschubachse durch die Kugelumlaufspindel mittels eines Drehgebers oder mittels eines Lineargebers.

Die bisherige Anordnung nutzt einen Drehgeber, um die Schlittenposition anhand der Steigung der Vorschubspindel zu bestimmen. Der Antrieb muss daher große Kräfte übertragen und als Verbindungsglied im Messsystem fungieren – er muss hochpräzise Werte liefern und die Steigung der Spindel zuverlässig reproduzieren. Der Positionsregelkreis berücksichtigt jedoch nur das Verhalten des Drehgebers. Da er Änderungen der Antriebsmechanik aufgrund von Verschleiß oder Temperatur nicht kompensieren kann, handelt es sich faktisch um einen halbgeschlossenen Regelkreis. Positionierfehler des Antriebs sind daher unvermeidbar und beeinträchtigen die Werkstückqualität.

Im Gegensatz dazu misst ein Linear-Encoder die Position des Schlittens und integriert die gesamte Vorschubmechanik in den Positionsregelkreis (für einen echten geschlossenen Regelkreis). Spiel und Ungenauigkeiten in den Übertragungselementen der Maschine haben keinen Einfluss auf die Positionsmessgenauigkeit. Die Genauigkeit hängt daher fast ausschließlich von der Präzision und dem Einbau des Linear-Encoders ab. Eine Anmerkung dazu: Die direkte Encoder-Messung kann auch die Messung von Drehachsenbewegungen verbessern. Herkömmliche Systeme verwenden Untersetzungsgetriebe, die mit einem Drehgeber am Motor verbunden sind, aber hochpräzise Winkel-Encoder bieten eine höhere Genauigkeit und Reproduzierbarkeit.

Möglichkeiten, wie die Kugelgewindekonstruktion die Wärmeentwicklung reduziert

Drei weitere Ansätze zur Bewältigung der Wärmeentwicklung bei Kugelgewindetrieben weisen eigene Einschränkungen auf.

1. Einige Kugelgewindetriebe verhindern durch Hohlkerne für die Kühlmittelzirkulation eine interne Erwärmung (und damit auch eine Erwärmung umliegender Maschinenteile). Doch auch diese weisen eine Wärmeausdehnung auf, und bereits ein Temperaturanstieg von nur 1 K führt zu Positionierfehlern von bis zu 10 μm/m. Dies ist von Bedeutung, da gängige Kühlsysteme Temperaturschwankungen von weniger als 1 K nicht ausgleichen können.

2. Manchmal modellieren Ingenieure die Wärmeausdehnung der Kugelumlaufspindel in der Steuerung. Da das Temperaturprofil im Betrieb jedoch schwer zu messen ist und durch den Verschleiß der Kugelumlaufmutter, die Vorschubgeschwindigkeit, die Schnittkräfte, den verwendeten Verfahrbereich und andere Faktoren beeinflusst wird, kann diese Methode erhebliche Restfehler (bis zu 50 μm/m) verursachen.

3. Einige Kugelgewindetriebe sind an beiden Enden mit Festlagern ausgestattet, um die Steifigkeit der Antriebsmechanik zu erhöhen. Doch selbst besonders steife Lager können die Ausdehnung durch lokale Wärmeentwicklung nicht verhindern. Die daraus resultierenden Kräfte sind beträchtlich und verformen selbst die steifsten Lagerkonfigurationen – mitunter sogar die Maschinengeometrie. Mechanische Spannungen verändern zudem das Reibungsverhalten des Antriebs und beeinträchtigen die Konturgenauigkeit der Maschine. Darüber hinaus kann der Betrieb im halbgeschlossenen Regelkreis die Auswirkungen von Lagervorspannungsänderungen aufgrund von Verschleiß oder elastischer Verformung der Antriebsmechanik nicht kompensieren.