Kein System ist für alle geeignet.

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

Positionsmesssystem

Generell unterscheidet man zwischen Steuerungen mit offenem und geschlossenem Regelkreis. Bei Steuerungen mit offenem Regelkreis (meist für Schrittmotoren) bewirkt jeder Impuls eine bestimmte Schlittenbewegung. Es gibt jedoch keine Möglichkeit, die tatsächliche Verschiebung zu bestimmen. Beispielsweise können 500 Impulse gesendet worden sein, der Tisch bewegte sich jedoch aufgrund von Haftreibung, Kugelumlauftoleranz, Hysterese, Wicklungsfehlern usw. möglicherweise nur um 498 Impulse. Ein großer Nachteil ist, dass keine Korrektur der Positionierfehler erfolgt.

In einem geschlossenen Regelkreis (Servosystem) 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 Schlitten ohne Positionsrückmeldung zu sehen, gefolgt von den drei gängigen Methoden zur Messung der Schlittenposition:
• Positionsgeber auf der Motor- oder Kugelumlaufspindelwelle montiert.
• Lineargeber 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 gewünschter und tatsächlicher Schlittenposition. In Kombination mit der Kugelumlaufspindel wird die Schlittengenauigkeit bestenfalls durch die Genauigkeit der Kugelumlaufspindel begrenzt. Typische Genauigkeiten liegen bei ±5 bis ±10 mm/300 mm Hub.

Die meisten linearen Messsysteme bestehen aus einem präzisen Glasmaßstab und einem photoelektrischen Messkopf. Der Maßstab oder der Messkopf ist direkt am beweglichen Schlitten befestigt und misst dessen Position. Fehler durch Kugelumlaufspindeln werden nicht verursacht. Typische Genauigkeiten für den Maßstab selbst liegen zwischen ±1 und ±5 mm/m. Dies entspricht auch der Genauigkeit des Schlittens selbst am Messkopf.

Die Tischlast (deren Positionsgenauigkeit uns wirklich interessiert) befindet sich immer in einem gewissen Abstand zur Messskala, gemessen senkrecht zur Bewegungsrichtung, da sich die meisten Encoder unter dem Schlitten befinden, die Last jedoch darüber. Bei gestapelten Tischen ist dieser Effekt noch ausgeprägter. Neigt sich der Schlitten während einer Bewegung aufgrund von Abweichungen in der Geradheit der Lagerbahnen, Umkehrfehlern usw. etwas, entsteht eine Abweichung der Position der Last gegenüber dem Encoder.

Ein kleiner Winkelfehler bei großem Versatz, wie er beispielsweise bei gestapelten XY-Tischen auftritt, kann zu einer Vervielfachung der Skalenungenauigkeit führen. Anders ausgedrückt: Eine Messskala liefert nur dort korrekte Positionsinformationen, wo der Messkopf ansetzt.

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

Für hochpräzise Anwendungen ist das Laser-Interferometer-Positionierungsrückkopplungssystem 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. Eine Genauigkeit von ca. ±0,1 mm/m für eine stabilisierte Laserquelle ist möglich, mit einer Auflösung von bis zu λ/1.024 bzw. 0,617 μm. Lambda (λ) ist die Wellenlänge des Lichts.

Ein Hauptvorteil besteht darin, dass die Spiegel direkt an der Lastposition platziert werden können, also dort, wo es auf die Präzision ankommt. Abbé-Fehler werden eliminiert. Die Ebenheit des Spiegels, 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 außerdem automatisch jegliche Abweichungen vom rechten Winkel 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, die unter anderem von Lufttemperatur, Druck und relativer Luftfeuchtigkeit abhängt. Bei 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 °K. Bei einem Laserinterferometer, bei dem eine stabile Umgebung nicht aufrechterhalten werden kann, können atmosphärische Veränderungen mit optionalen automatischen Kompensationskomponenten korrigiert werden.