Kein System ist für alle geeignet.

Die Komponenten, aus denen Ihr hochpräzises Positionierungssystem besteht – Basis und Lager, Positionsmesssystem, Motor- und Antriebssystem und Steuerung – müssen so gut wie möglich zusammenarbeiten. In Teil 1 haben wir uns mit der Systembasis und den Lagern befasst. Hier geht es um die Positionsmessung. Teil 3 befasst sich mit dem Bühnen-, Antriebs- und Encoder-Design. der Antriebsverstärker; und Controller.

Positionsmesssystem

Im Allgemeinen können Sie Controller als „Open-Loop“- oder „Closed-Loop“-Regler klassifizieren. Bei Open-Loop-Reglern (üblicherweise bei Schrittmotoren eingesetzt) ​​bewirkt jeder Impuls, den der Regler ausgibt, eine bestimmte Schlittenverschiebung. Es gibt jedoch keine Möglichkeit festzustellen, wie groß die Verschiebung war. Beispielsweise könnten 500 Impulse ausgegeben worden sein, aber aufgrund von Haftreibung, Toleranz der Kugelumlaufspindel, Hysterese, Wickelfehlern usw. hat sich der Tisch möglicherweise nur für 498 Impulse bewegt. Ein großer Nachteil besteht darin, dass keine Positionierungsfehlerkorrektur erfolgt.

In einem Closed-Loop-System oder Servosystem liefert ein Positionsgeber eine Rückmeldung an die Steuerung. Der Controller sendet weiterhin Motorsteuersignale, bis die exakt gewünschte Position des Schlittens erreicht ist.

Ein Objektträger ohne Positionsrückmeldung in der oberen Abbildung, gefolgt von den drei gängigen Methoden zum Messen der Objektträgerposition:
• Positionsgeber am Motor oder an der Kugelumlaufspindel montiert.
• Linear-Encoder am Schlitten montiert.
• Laserinterferometer mit auf dem Objektträger montierten Spiegeln.

Bei der ersten Methode wird die Schlittenposition indirekt gemessen – der Positionsgeber wird auf der Antriebswelle montiert. Toleranz, Verschleiß und Nachgiebigkeit der mechanischen Komponenten zwischen Schlitten und Positionsgeber führen zu Abweichungen zwischen gewünschten und tatsächlichen Schlittenpositionen. In Kombination mit der Kugelumlaufspindel wird die Gleitgenauigkeit bestenfalls durch die Genauigkeit der Kugelumlaufspindel begrenzt. Typische Genauigkeiten liegen bei ±5 bis ±10 mm/300 mm Verfahrweg.

Die meisten linearen Messsysteme bestehen aus einem genauen Glasmaßstab und einem fotoelektrischen Messkopf. Entweder wird die Skala oder der Kopf direkt am beweglichen Schlitten befestigt und misst die Schlittenposition direkt. Es entstehen auch keine Fehler durch Ungenauigkeiten der Kugelumlaufspindel. Typische Genauigkeiten für die Skala selbst liegen bei ±1 bis ±5 mm/m. Dies gilt auch für die Genauigkeit des Schlittens selbst am Standort des Messkopfes.

Die Tischlast (deren Positionsgenauigkeit uns wirklich interessiert) befindet sich immer in einiger Entfernung von der Messskala, gemessen in einer Richtung senkrecht zur Bewegungsrichtung, da sich die meisten Encoder unter dem Schlitten befinden, die Last jedoch oben ist . Bei gestapelten Bühnen ist dies noch deutlicher. Wenn der Schlitten während einer Bewegung aufgrund von Abweichungen in der Geradheit der Lagerbahnen, Umkehrfehlern usw. etwas kippt, entsteht eine Abweichung relativ zur Position der Last gegenüber dem Encoder.

Ein kleiner Winkelfehler mit großem Versatz, wie er beispielsweise bei gestapelten XY-Tischen auftritt, kann zu einer Vervielfachung der Skalenungenauigkeit führen. Mit anderen Worten: Eine Maßverkörperung liefert nur an der Stelle, an der der Messkopf befestigt ist, korrekte Positionsinformationen.

Ein Bewegungstisch mit präzisen Rolleigenschaften weist beispielsweise typische Winkelfehler von etwa ±5 Bogensekunden auf. (1 Bogensekunde = 1/3.600 Grad oder etwa 5 μrad.) Bei einem Abstand von 100 mm zwischen Last und Waage ergibt sich ein Positionierungsfehler von ±2,5 mm!

Für extrem genaue Anwendungen ist das Laser-Interferometer-Positionierungsrückmeldesystem mit Planspiegeln die beste Wahl. Als Standard dient die Wellenlänge eines Helium-Neon-Lasers von 632,8 nm. Ein Nanometer ist 1 × 10-9 Meter. Für eine stabilisierte Laserquelle ist eine Genauigkeit von etwa ±0,1 mm/m möglich, mit einer Auflösung von bis zu λ/1.024 oder 0,617 μm. Lambda (λ) ist die Wellenlänge des Lichts.

Ein Hauptvorteil besteht darin, dass die Spiegel am Ort der Ladung angebracht werden können; Das heißt, wo die Präzision wirklich wichtig ist. Abbé-Fehler werden eliminiert. Die Ebenheit des Spiegels, typischerweise im Submikronbereich, bestimmt die Linearität, mit der sich der Schlitten bewegt.

Da sich die Bewegung eines XY-Tisches außerdem auf einen festen Punkt außerhalb der Bewegungsebene bezieht, gleicht die Rückkopplung automatisch etwaige Unrechtmäßigkeiten des XY-Systems aus, da sie den Schlitten in einem festen Abstand hält.

Die Wellenlänge des Lichts in der Luft hängt von der Lichtgeschwindigkeit in der Luft ab, die unter anderem von der Lufttemperatur, dem Druck und der relativen Luftfeuchtigkeit abhängt. Wenn Sie eine Maßverkörperung verwenden, führt eine Temperaturänderung aufgrund der Ausdehnung des Maßstabsmaterials zu Messfehlern. Typische Ausdehnungskoeffizienten für Glas- und Stahlmaßstäbe liegen bei 8 und 10 mm/m pro Grad K. Wenn mit einem Laserinterferometer keine stabile Umgebung aufrechterhalten werden kann, können Sie atmosphärische Veränderungen mit optionalen automatischen Kompensationskomponenten korrigieren.