Lineare Encoder steigern die Genauigkeit, indem sie Fehler hinter mechanischen Verbindungen korrigieren.

Linearencoder erfassen die Achsenposition ohne mechanische Zwischenelemente. Sie messen sogar Übertragungsfehler von mechanischen Verbindungen (z. B. von Dreh-zu-Linear-Geräten), was der Steuerung hilft, maschinenbedingte Fehler zu korrigieren. Dank dieser Rückkopplung kann die Steuerung die gesamte Mechanik in Positionsregelkreisen berücksichtigen.

Funktionsweise der fotoelektrischen Abtastung in Encodern

Viele Präzisions-Lineargeber arbeiten mit optischer oder fotoelektrischer Abtastung. Kurz gesagt: Ein Lesekopf erfasst periodische Teilstriche von nur wenigen Mikrometern Breite und gibt Signale mit kurzen Signalperioden aus. Die Messnormale besteht üblicherweise aus Glas oder (bei großen Messlängen) aus Stahl mit periodischen Teilstrichen auf dem Trägersubstrat. Es handelt sich um eine berührungslose Methode der Positionsverfolgung.

PRC-(Absolut-)Code-Bildabtast-Linearencoder arbeiten mit inkrementellen Gitterperioden zwischen 4 und 40 μm und erzeugen Lichtsignale. Zwei Gitter (auf der Skala und der Abtastlinie) bewegen sich relativ zueinander. Das Material der Abtastlinie ist transparent, das der Skala hingegen kann transparent oder reflektierend sein. Passieren die beiden Gitter aneinander, wird das einfallende Licht moduliert. Überlappen sich die Lücken in den Gittern, wird Licht durchgelassen. Treffen die Linien eines Gitters auf die Lücken des anderen, wird das Licht blockiert. Photovoltaikzellen wandeln die Schwankungen der Lichtintensität in sinusförmige elektrische Signale um.

Eine weitere Option für Teilungen mit Teilungsperioden von 8 μm und kleiner ist die Interferenzabtastung. Diese Arbeitsweise eines Linearencoders nutzt Beugung und Lichtinterferenz. Als Maßverkörperung dient ein Stufengitter mit 0,2 μm hohen Strichen auf einer reflektierenden Oberfläche. Davor befindet sich eine Abtastplatte – ein transparentes Gitter mit einer Periode, die der des Maßstabs entspricht. Durchläuft eine Lichtwelle die Platte, wird sie in drei Teilwellen mit den Ordnungen -1, 0 und 1 von etwa gleicher Intensität gebeugt. Der Maßstab beugt die Wellen, sodass sich die Lichtintensität in den Beugungsordnungen 1 und -1 konzentriert. Diese Wellen treffen am Phasengitter der Platte wieder aufeinander, werden dort erneut gebeugt und interferieren. Dadurch entstehen drei Wellen, die die Abtastplatte in unterschiedlichen Winkeln verlassen. Photovoltaikzellen wandeln die wechselnde Lichtintensität anschließend in ein elektrisches Signal um.

Bei der Interferenzabtastung führt die Relativbewegung zwischen Strichplatte und Maßstab zu einer Phasenverschiebung der gebeugten Wellenfronten. Bei einer Gitterbewegung um eine Periode bewegt sich die Wellenfront erster Ordnung um eine Wellenlänge in positiver Richtung, die Wellenfront der Beugungsordnung -1 um eine Wellenlänge in negativer Richtung. Die beiden Wellen interferieren beim Austritt aus dem Gitter und verschieben sich daher um zwei Wellenlängen relativ zueinander (bei einer Bewegung von nur einer Gitterperiode um zwei Signalperioden).

Zwei Encoder-Scanning-Varianten

Einige Linearencoder messen absolut, sodass der Positionswert bei laufender Maschine immer verfügbar ist und die Elektronik ihn jederzeit referenzieren kann. Das Anfahren einer Referenzachse ist nicht erforderlich. Die Skalenteilung hat eine serielle Absolutcodestruktur. Für den Positionswert wird eine separate Inkrementalspur interpoliert, während gleichzeitig ein optionales Inkrementalsignal erzeugt wird.

Im Gegensatz dazu verwenden lineare Encoder mit inkrementeller Messung Teilstriche mit periodischen Rastern und zählen einzelne Inkremente (Messschritte) von einem Nullpunkt aus, um die Position zu bestimmen. Da dieser Aufbau eine absolute Referenz zur Positionsbestimmung verwendet, verfügen Maßbänder für diese Aufbauten über eine zweite Spur mit einer Referenzmarke.

Die durch die Referenzmarke festgelegte absolute Skalenposition wird mit genau einer Signalperiode getaktet. Der Lesekopf muss daher eine Referenzmarke lokalisieren und abtasten, um eine absolute Referenz festzulegen oder den zuletzt ausgewählten Bezugspunkt zu finden (was manchmal Referenzfahrten mit großem Hub erfordert).

Lineare 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 lineare Encoder gekapselt. Ein Aluminiumgehäuse schützt Maßstab, Abtastschlitten und dessen Führung vor Spänen, Staub und Flüssigkeiten. Nach unten gerichtete elastische Lippen dichten das Gehäuse ab. Dabei bewegt sich der Abtastschlitten auf einer reibungsarmen Führung entlang des Maßstabs. Eine Kupplung verbindet den Abtastschlitten mit dem Montageblock und gleicht Fluchtungsfehler zwischen Maßstab und Maschinenführungen 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: Anwendung in Werkzeugmaschinen

Produktivität und Genauigkeit sind für unzählige Anwendungen von größter Bedeutung, doch wechselnde Betriebsbedingungen erschweren oft die Erreichung dieser Konstruktionsziele. Ein Beispiel hierfür sind Werkzeugmaschinen. Die Teilefertigung geht in Richtung immer kleinerer Losgrößen, sodass die Genauigkeit der Anlagen unter verschiedenen Belastungen und Hüben gewährleistet bleiben muss. Besonders anspruchsvoll ist die Bearbeitung von Teilen für die Luft- und Raumfahrt, die maximale Zerspanungsleistung für die Schruppbearbeitung und höchste Präzision für die anschließende Schlichtbearbeitung erfordert.

Das Fräsen hochwertiger Formen erfordert insbesondere einen schnellen Materialabtrag und eine hohe Oberflächengüte nach der Bearbeitung. Gleichzeitig ermöglichen nur hohe Konturvorschübe die Produktion von Teilen mit minimalen Bahnabständen in akzeptablen Bearbeitungszeiten. Gerade bei kleinen Produktionschargen ist es jedoch nahezu unmöglich, thermisch stabile Bedingungen aufrechtzuerhalten. Denn der Wechsel zwischen Bohr-, Schrupp- und Schlichtbearbeitungen führt zu Temperaturschwankungen in der Werkzeugmaschine.

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

Das Problem besteht darin, dass zunehmend höhere Beschleunigungen und Vorschubgeschwindigkeiten zu einer Erwärmung der Unterkomponenten der Linearantriebe von Maschinen führen, insbesondere bei solchen mit drehmotorgetriebenen Kugelumlaufspindeln. Daher ist die 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 beheben. Ein weiterer Ansatz ist die Korrektur einer besonders häufigen thermischen Drift – der von drehmotorgetriebenen Vorschubachsen mit Kugelumlaufspindeln. Dabei können sich die Temperaturen entlang der Kugelumlaufspindel mit den Vorschubgeschwindigkeiten und Bewegungskräften schnell ändern. Die daraus resultierenden Längenänderungen (typischerweise 100 μm/m innerhalb von 20 Minuten) können erhebliche Werkstückfehler verursachen. Zwei Möglichkeiten bestehen darin, die numerisch gesteuerte Vorschubachse durch die Kugelumlaufspindel mit einem Drehgeber oder einem Lineargeber zu messen.

Bei der ersten Konfiguration wird die Schlittenposition mithilfe eines Drehgebers aus der Steigung der Förderschnecke bestimmt. Der Antrieb muss daher große Kräfte übertragen und als Bindeglied im Messsystem fungieren – um hochgenaue Werte zu liefern und die Steigung der Förderschnecke zuverlässig zu reproduzieren. Der Lageregelkreis berücksichtigt jedoch nur das Verhalten des Drehgebers. Da er verschleiß- oder temperaturbedingte Veränderungen der Antriebsmechanik nicht kompensieren kann, handelt es sich tatsächlich um einen halbgeschlossenen Regelkreis. Positionierungsfehler des Antriebs sind unvermeidbar und beeinträchtigen die Werkstückqualität.

Im Gegensatz dazu misst ein Lineargeber die Schlittenposition und bezieht die gesamte Vorschubmechanik in den Positionsregelkreis ein (für einen echten Closed-Loop-Betrieb). Spiel und Ungenauigkeiten in den Übertragungselementen der Maschine haben keinen Einfluss auf die Genauigkeit der Positionsmessung. Die Genauigkeit hängt somit fast ausschließlich von der Präzision und Installation des Lineargebers ab. Eine Randbemerkung: Direkte Encodermessung kann auch die Messung von Drehachsenbewegungen verbessern. Herkömmliche Aufbauten verwenden Geschwindigkeitsreduzierungsmechanismen, die mit einem Drehgeber am Motor verbunden sind. Hochgenaue Winkelgeber bieten jedoch eine höhere Genauigkeit und Reproduzierbarkeit.

Möglichkeiten zur Wärmebewältigung durch Kugelumlaufspindeln

Drei weitere Ansätze zur Reduzierung der Wärmeentwicklung bei Kugelumlaufspindeln weisen ihre eigenen Einschränkungen auf.

1. Einige Kugelumlaufspindeln verhindern die Erwärmung des Inneren (und der umgebenden Maschinenteile) durch Hohlkerne zur Kühlmittelzirkulation. Doch auch diese weisen eine Wärmeausdehnung auf, und ein Temperaturanstieg von nur 1 K führt zu Positionierfehlern von bis zu 10 μm/m. Das ist bedeutsam, da herkömmliche Kühlsysteme Temperaturschwankungen von unter 1 K nicht ausgleichen können.

2. Manchmal modellieren Ingenieure die Wärmeausdehnung des Kugelgewindetriebs in der Steuerung. Da das Temperaturprofil im Betrieb jedoch schwer messbar ist und vom Verschleiß der Kugelumlaufmutter, der Vorschubgeschwindigkeit, den Schnittkräften, dem genutzten Verfahrweg und anderen Faktoren beeinflusst wird, können bei dieser Methode erhebliche Restfehler (bis zu 50 μm/m) entstehen.

3. Manche Kugelumlaufspindeln 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 – manchmal sogar zu strukturellen Verzerrungen der Maschinengeometrie. Mechanische Spannungen verändern zudem das Reibungsverhalten des Antriebs und beeinträchtigen so die Konturgenauigkeit der Maschine. Darüber hinaus kann der halbgeschlossene Regelkreis die Auswirkungen von Lagervorspannungsänderungen durch Verschleiß oder elastische Verformung der Antriebsmechanik nicht kompensieren.