Lineare Encoder erhöhen die Genauigkeit, indem sie Fehler nach mechanischen Verbindungen korrigieren.

Linear-Encoder verfolgen die Achsposition ohne zwischengeschaltete mechanische Elemente. Die Encoder messen sogar Übertragungsfehler von mechanischen Verbindungen (z. B. mechanischen Dreh-zu-Linear-Geräten), was die Steuerung bei der Korrektur von Fehlern unterstützt, die von der Maschine stammen. Somit ermöglicht diese Rückmeldung, dass die Steuerung die gesamte Mechanik in Positionsregelkreisen berücksichtigt.

Funktionsweise der fotoelektrischen Abtastung in Encodern

Viele Präzisions-Linearencoder arbeiten mit optischer oder fotoelektrischer Abtastung. Kurz gesagt: Ein Lesekopf erfasst periodische Teilungen mit einer Breite von nur wenigen Mikrometern und gibt Signale mit kleinen Signalperioden aus. Die Maßverkörperung besteht in der Regel aus Glas oder (bei großen Messlängen) aus Stahl mit periodischen Teilungen – Markierungen auf dem Trägersubstrat. Es handelt sich um eine berührungslose Art der Positionsverfolgung.

Bei inkrementellen Teilungsperioden zwischen 4 und 40 μm arbeiten die bildabtastenden PRC-Linearencoder (absolut) mit Lichtsignalerzeugung. Zwei Gitter (auf der Skala und auf der Abtastplatte) bewegen sich relativ zueinander. Das Material des Abtastkreuzes ist transparent, das Material der Skala kann jedoch transparent oder reflektierend sein. Wenn die beiden aneinander vorbeigehen, moduliert das einfallende Licht. Wenn Lücken in den Gittern ausgerichtet sind, dringt Licht hindurch. Wenn die Linien des einen Gitters mit den Lücken des anderen zusammenfallen, blockiert es das Licht. Photovoltaikzellen wandeln die Schwankungen der Lichtintensität in elektrische Signale mit Sinusform um.

Eine weitere Möglichkeit für Teilungen mit Gitterperioden von 8 μm und kleiner ist die Interferenzabtastung. Dieser Linearencoder-Betriebsmodus nutzt Beugung und Lichtinterferenz. Als Maßverkörperung dient ein Stufengitter mit 0,2 μm hohen Linien auf einer reflektierenden Oberfläche. Davor befindet sich ein Abtastkreuz – ein transparentes Gitter mit einer Periode, die der Skala entspricht. Wenn eine Lichtwelle das Fadenkreuz passiert, wird sie in drei Teilwellen mit etwa gleicher Intensität der Ordnungen -1, 0 und 1 gebeugt. Die Skala beugt die Wellen, sodass sich die Lichtintensität in den Beugungsordnungen 1 und -1 konzentriert. Diese Wellen treffen am Phasengitter des Retikels erneut zusammen, wo sie erneut gebeugt werden und interferieren. Dadurch entstehen drei Wellen, die das Scan-Fadenkreuz in unterschiedlichen Winkeln verlassen. Photovoltaische Zellen wandeln dann die wechselnde Lichtintensität in ein elektrisches Ausgangssignal um.

Beim Interferenzscannen führt die relative Bewegung zwischen Strichplatte und Maßstab dazu, dass die gebeugten Wellenfronten eine Phasenverschiebung erfahren. Wenn sich das Gitter um eine Periode bewegt, bewegt sich die Wellenfront erster Ordnung um eine Wellenlänge in die positive Richtung und die Wellenlänge der Beugungsordnung -1 bewegt sich um eine Wellenlänge in die negative Richtung. Die beiden Wellen interferieren beim Austritt aus dem Gitter miteinander, verschieben sich also relativ zueinander um zwei Wellenlängen (für zwei Signalperioden ab einer Bewegung von nur einer Gitterperiode).

Zwei Encoder-Abtastvarianten

Einige lineare Encoder führen absolute Messungen durch, sodass der Positionswert bei eingeschalteter Maschine immer verfügbar ist und von der Elektronik jederzeit referenziert werden kann. Es ist nicht erforderlich, Achsen zu einer Referenz zu bewegen. Die Maßstabsteilung hat eine serielle Absolutcodestruktur und eine separate Inkrementalspur wird für den Positionswert interpoliert und gleichzeitig ein optionales Inkrementalsignal generiert.

Im Gegensatz dazu verwenden lineare Encoder, die mit inkrementeller Messung arbeiten, Teilungen mit periodischem Gitter, und die Encoder zählen einzelne Inkremente (Messschritte) von einem bestimmten Ursprung aus, um die Position zu ermitteln. Da dieser Aufbau eine absolute Referenz zur Positionsbestimmung verwendet, 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 getaktet. Daher muss der Lesekopf eine Referenzmarke lokalisieren und abtasten, um eine absolute Referenz herzustellen oder den zuletzt ausgewählten Bezugspunkt zu finden (was manchmal lange Referenzfahrten erfordert).

Linear-Encoder-Iterationen

Eine Herausforderung bei der Integration linearer Encoder besteht darin, dass die Geräte direkt an der Bewegungsachse arbeiten und somit der Maschinenumgebung ausgesetzt sind. Aus diesem Grund sind einige Linear-Encoder versiegelt. Ein Aluminiumgehäuse schützt den Maßstab, den Abtastschlitten und seine Führung vor Spänen, Staub und Flüssigkeiten, nach unten gerichtete elastische Lippen dichten das Gehäuse ab. Dabei fährt der Abtastschlitten auf einer reibungsarmen Führung entlang des Maßstabs. Eine Kupplung verbindet den Abtastschlitten mit dem Montageblock und gleicht Fluchtungsfehler zwischen Maßstab und Maschinenführung 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: Werkzeugmaschinenanwendung

Produktivität und Genauigkeit sind für unzählige Anwendungen von größter Bedeutung, doch sich ändernde Betriebsbedingungen machen diese Konstruktionsziele oft zu einer Herausforderung. Denken Sie an Werkzeugmaschinen. Bei der Herstellung von Teilen werden immer kleinere Losgrößen verwendet, daher müssen die Anlagen bei unterschiedlichen Belastungen und Hüben ihre Genauigkeit aufrechterhalten. Am anspruchsvollsten ist vielleicht die Bearbeitung von Teilen für die Luft- und Raumfahrt, die eine maximale Schnittkapazität für Schruppprozesse und dann maximale Präzision für nachfolgende Endbearbeitungsprozesse erfordert.

Genauer gesagt erfordert das Fräsen hochwertiger Formen einen schnellen Materialabtrag und eine hohe Oberflächenqualität nach der Endbearbeitung. Gleichzeitig ermöglichen nur schnelle Konturvorschubgeschwindigkeiten, dass Maschinen Teile mit minimalen Abständen zwischen den Pfaden innerhalb akzeptabler Bearbeitungszeiten produzieren. Doch gerade bei kleinen Produktionschargen ist es nahezu unmöglich, thermisch stabile Bedingungen aufrechtzuerhalten. Dies liegt daran, dass der Wechsel zwischen Bohr-, Schrupp- und Endbearbeitungsvorgängen zu Schwankungen der Werkzeugmaschinentemperaturen führt.

Darüber hinaus ist die Werkstückgenauigkeit der Schlüssel zur Rentabilität von Produktionsaufträgen. Während der Schruppbearbeitung erhöhen sich die Fräsraten auf 80 % oder mehr; Bei der Endbearbeitung sind Werte unter 10 % üblich.

Das Problem besteht darin, dass immer höhere Beschleunigungen und Vorschubgeschwindigkeiten zu einer Erwärmung der Teilkomponenten der linearen Vorschubantriebe von Maschinen führen, insbesondere bei solchen, die über rotatorisch angetriebene Kugelumlaufspindeln verfügen. Daher ist die Positionsmessung hier unerlässlich, um die Korrekturen des thermischen Verhaltens von Werkzeugmaschinen zu stabilisieren.

Möglichkeiten zur Lösung thermischer Instabilitätsprobleme

Aktive Kühlung, symmetrische Maschinenstrukturen sowie Temperaturmessungen und -korrekturen sind bereits gängige Methoden, um thermisch bedingten Genauigkeitsänderungen entgegenzuwirken. Ein weiterer Ansatz besteht darin, eine besonders häufige Art der thermischen Drift zu korrigieren – die von rotatorisch angetriebenen Vorschubachsen mit Kugelumlaufspindeln. Hier können sich die Temperaturen entlang der Kugelumlaufspindel je nach Vorschubgeschwindigkeit und Bewegungskräften schnell ändern. Daraus resultierende Längenänderungen (typischerweise 100 μm/m innerhalb von 20 Minuten) können zu erheblichen Werkstückfehlern führen. Zwei Möglichkeiten bestehen hier darin, die numerisch gesteuerte Vorschubachse durch die Kugelumlaufspindel mit einem Drehgeber oder durch einen Linearencoder zu messen.

Der erste Aufbau verwendet einen Drehgeber, um die Schlittenposition anhand der Steigung der Vorschubspindel zu bestimmen. Der Antrieb muss daher große Kräfte übertragen und als Bindeglied im Messsystem fungieren, hochgenaue Werte liefern und die Spindelsteigung zuverlässig wiedergeben. Der Lageregelkreis berücksichtigt jedoch nur das Verhalten des Drehgebers. Da er verschleiß- oder temperaturbedingte Veränderungen der Antriebsmechanik nicht ausgleichen kann, handelt es sich eigentlich um einen Semi-Closed-Loop-Betrieb. Positionierungsfehler des Antriebs sind unvermeidbar und beeinträchtigen die Qualität des Werkstücks.

Im Gegensatz dazu misst ein linearer Encoder die Schlittenposition und bezieht die komplette Vorschubmechanik in den Positionsregelkreis ein (für einen wirklich geschlossenen Betrieb). 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 Installation des Linearencoders ab. Eine Randbemerkung hier: Die direkte Encodermessung kann auch die Messung von Drehachsenbewegungen verbessern. Herkömmliche Konfigurationen verwenden Mechanismen zur Geschwindigkeitsreduzierung, die mit einem Drehgeber am Motor verbunden sind. Winkelencoder mit hoher Genauigkeit bieten jedoch eine bessere Genauigkeit und Reproduzierbarkeit.

Möglichkeiten, wie die Konstruktion von Kugelumlaufspindeln Hitze bekämpft

Drei weitere Ansätze zur Bewältigung der Kugelumlaufwärme haben ihre eigenen Grenzen.

1. Einige Kugelumlaufspindeln verhindern eine innere Erwärmung (und die Erwärmung der umgebenden Maschinenteile) mit Hohlkernen für die Kühlmittelzirkulation. Aber auch diese weisen eine thermische Ausdehnung auf und bereits eine Temperaturerhöhung von 1 K führt zu Positionierungsfehlern von bis zu 10 μm/m. Das ist von Bedeutung, da herkömmliche Kühlsysteme Temperaturschwankungen nicht unter 1 K aushalten können.

2. Manchmal modellieren Ingenieure die Wärmeausdehnung der Kugelumlaufspindel in den Steuerungen. Da das Temperaturprofil im Betrieb jedoch nur schwer zu messen ist und vom Verschleiß der Kugelumlaufmutter, der Vorschubgeschwindigkeit, den Schnittkräften, dem verwendeten Verfahrbereich und anderen Faktoren beeinflusst wird, kann es bei dieser Methode zu erheblichen Restfehlern (bis zu 50 μm/m) kommen. .

3. Einige Kugelgewindetriebe sind an beiden Enden fest gelagert, um die Steifigkeit der Antriebsmechanik zu erhöhen. Aber auch besonders steife Lager können die Ausdehnung durch lokale Wärmeentwicklung nicht verhindern. Die resultierenden Kräfte sind beträchtlich und verformen selbst die steifsten Lagerkonfigurationen – manchmal verursachen sie sogar strukturelle Verformungen in der Maschinengeometrie. Auch mechanische Spannungen verändern das Reibungsverhalten des Antriebs und verschlechtern die Konturgenauigkeit der Maschine. Darüber hinaus kann der Semi-Closed-Loop-Betrieb die Auswirkungen von Lagervorspannungsänderungen aufgrund von Verschleiß oder elastischer antriebsmechanischer Verformung nicht kompensieren.