Kein System ist für alle geeignet.

Die Komponenten Ihres hochpräzisen Positioniersystems – Basis und Lager, Positionsmesssystem, Motor- und Antriebssystem sowie Steuerung – müssen optimal zusammenarbeiten. In Teil 1 haben wir die Systembasis und die Lager behandelt. Hier widmen wir uns der Positionsmessung. Teil 3 behandelt die Konstruktion von Tisch, Antrieb und Encoder, den Antriebsverstärker und die Steuerungen.

Positionsmesssystem

Im Allgemeinen lassen sich Regler in „Open-Loop“- und „Closed-Loop“-Regler einteilen. Bei Open-Loop-Reglern (die üblicherweise bei Schrittmotoren eingesetzt werden) bewirkt jeder vom Regler ausgesendete Impuls eine bestimmte Verschiebung des Schlittens. Es gibt jedoch keine Möglichkeit, die Größe dieser Verschiebung zu bestimmen. Beispielsweise können 500 Impulse ausgesendet worden sein, aber aufgrund von Haftreibung, Toleranzen der Kugelumlaufspindel, Hysterese, Wicklungsfehlern usw. kann sich der Tisch tatsächlich nur um 498 Impulse bewegt haben. Ein wesentlicher Nachteil besteht darin, dass keine Positionierfehlerkorrektur erfolgt.

In einem geschlossenen Regelkreis, auch Servosystem genannt, liefert ein Positionsgeber Rückmeldung an die Steuerung. Die Steuerung sendet so lange Motorsteuersignale, bis die exakt gewünschte Position des Schlittens erreicht ist.

In der oberen Abbildung ist ein Objektträger ohne Positionsrückmeldung dargestellt, gefolgt von den drei gängigen Methoden zur Messung der Objektträgerposition:
• Positionsgeber, der an der Motor- oder Kugelgewindespindelwelle montiert ist.
• Linearer Encoder auf dem Schlitten montiert.
• Laserinterferometer mit auf dem Objektträger montierten Spiegeln.

Bei der ersten Methode wird die Schlittenposition indirekt gemessen – der Positionsgeber ist auf der Antriebswelle montiert. Toleranzen, Verschleiß und Nachgiebigkeit der mechanischen Komponenten zwischen Schlitten und Positionsgeber führen zu Abweichungen zwischen Soll- und Ist-Schlittenposition. In Kombination mit der Kugelumlaufspindel ist die Schlittengenauigkeit bestenfalls durch die Genauigkeit der Kugelumlaufspindel begrenzt. Typische Genauigkeiten liegen bei ±5 bis ±10 mm auf 300 mm Verfahrweg.

Die meisten linearen Messsysteme bestehen aus einer präzisen Glasskala und einem fotoelektrischen Messkopf. Die Skala oder der Messkopf ist direkt am beweglichen Schlitten befestigt und misst dessen Position unmittelbar. Dadurch werden keine Fehler durch Ungenauigkeiten der Kugelumlaufspindel verursacht. Die typische Genauigkeit der Skala liegt zwischen ±1 und ±5 mm/m. Dies entspricht auch der Genauigkeit des Schlittens an der Messkopfposition.

Die Last auf dem Tisch (deren Positionsgenauigkeit uns besonders interessiert) befindet sich stets in einem gewissen Abstand zur Messskala, gemessen senkrecht zur Bewegungsrichtung. Dies liegt daran, dass die meisten Encoder unter dem Schlitten angebracht sind, die Last jedoch darüber. Bei gestapelten Tischen ist dieser Effekt noch ausgeprägter. Neigt sich der Schlitten während einer Bewegung aufgrund von Ungenauigkeiten der Lagerführungen, Umkehrfehlern usw., entsteht eine Abweichung zwischen der Position der Last und der Encoderposition.

Ein kleiner Winkelfehler mit großem Versatz, wie er beispielsweise bei gestapelten XY-Tischen auftritt, kann die Ungenauigkeit der Messskala vervielfachen. Anders ausgedrückt: Eine Messskala liefert nur an der Stelle, an der der Messkopf befestigt ist, korrekte Positionsinformationen.

Ein Positioniertisch mit präzisen Rollcharakteristiken weist beispielsweise typische Winkelfehler von etwa ±5 Bogensekunden auf. (1 Bogensekunde = 1/3600 Grad oder etwa 5 μrad.) Bei einem Abstand von 100 mm zwischen Last und Skala ergibt sich daraus ein Positionierfehler von ±2,5 mm!

Für Anwendungen mit höchster Präzision ist das Laserinterferometer-Positionierungssystem mit Planspiegeln die beste Wahl. Die Wellenlänge eines Helium-Neon-Lasers von 632,8 nm dient als Standard. Ein Nanometer entspricht 1 × 10⁻⁹ Metern. Mit einer stabilisierten Laserquelle lässt sich eine Genauigkeit von etwa ±0,1 mm/m und eine Auflösung bis zu λ/1024 bzw. 0,617 μm erreichen. Lambda (λ) ist die Wellenlänge des Lichts.

Ein wesentlicher Vorteil besteht darin, dass sich die Spiegel direkt an der Belastungsstelle befinden können, also dort, wo es auf höchste Präzision ankommt. Abbé-Fehler werden dadurch vermieden. Die Planheit der Spiegel, typischerweise im Submikrometerbereich, bestimmt die Linearität der Schlittenbewegung.

Da die Bewegung eines XY-Tisches auf einen festen Punkt außerhalb der Bewegungsebene bezogen ist, gleicht die Rückkopplung automatisch jede Abweichung von der Rechtwinkligkeit des XY-Systems aus, da sie den Schlitten in einem festen Abstand hält.

Die Wellenlänge des Lichts in Luft hängt von der Lichtgeschwindigkeit in Luft ab, welche unter anderem von Lufttemperatur, -druck und relativer Luftfeuchtigkeit beeinflusst wird. Bei der Verwendung einer Messskala führt eine Temperaturänderung aufgrund der Ausdehnung des Skalenmaterials zu Messfehlern. Typische Ausdehnungskoeffizienten für Glas- und Stahlskalen liegen bei 8 bzw. 10 mm/m pro Grad und Kelvin. Bei einem Laserinterferometer, bei dem keine stabile Umgebung gewährleistet werden kann, lassen sich atmosphärische Schwankungen mithilfe optionaler automatischer Kompensationskomponenten ausgleichen.