Bühnen-, Antriebs- und Encoderdesign.

Die Komponenten Ihres hochpräzisen Positionierungssystems – Lager, Positionsmesssystem, Motor- und Antriebssystem sowie Steuerung – müssen optimal zusammenarbeiten. Teil 1 behandelte Systembasis und Lager. Teil 2 befasste sich mit der Positionsmessung. Hier besprechen wir den Aufbau von Tisch, Antrieb und Encoder, den Antriebsverstärker und die Steuerungen.

Die drei am häufigsten verwendeten Methoden zum Zusammenbau von Lineartischen bei Verwendung von Linearencodern:
• Antrieb und Encoder sind im oder möglichst nahe am Massenmittelpunkt des Schlittens positioniert.
• Der Antrieb befindet sich im Massenmittelpunkt, der Encoder ist seitlich angebracht.
• Auf der einen Seite befindet sich der Antrieb, auf der anderen der Encoder.

Im Idealfall befindet sich der Antrieb mit dem Encoder in der Mitte der Schlittenmasse. Dies ist jedoch meist unpraktisch. Der übliche Kompromiss besteht darin, den Antrieb etwas versetzt auf der einen Seite und den Encoder etwas versetzt auf der anderen Seite zu positionieren. Dies ergibt eine gute Annäherung an einen zentralen Antrieb mit Bewegungsrückmeldung neben dem Antriebssystem. Zentrale Antriebe werden bevorzugt, da die Antriebskraft keine unerwünschten Kraftvektoren in den Schlitten einleitet, die ein Verdrehen oder Verkanten verursachen könnten. Da das Lagersystem den Schlitten fest einschließt, würde ein Verkanten zu erhöhter Reibung, Verschleiß und Ungenauigkeit der Lastposition führen.

Eine alternative Methode verwendet ein Portalsystem mit zwei Antrieben, jeweils einem auf jeder Seite des Schlittens. Die resultierende Antriebskraft emuliert einen zentralen Antrieb. Mit dieser Methode können Sie die Positionsrückmeldung in der Mitte platzieren. Ist dies nicht möglich, können Sie Encoder auf beiden Seiten platzieren und den Tisch mit einer speziellen Portalantriebssoftware steuern.

Antriebsverstärker
Servoverstärker empfangen Steuersignale (üblicherweise ±10 VDC) vom Controller und liefern Betriebsspannung und Stromausgang an den Motor. Im Allgemeinen gibt es zwei Arten von Leistungsverstärkern: den Linearverstärker und den pulsweitenmodulierten (PWM) Verstärker.

Linearverstärker sind ineffizient und werden daher hauptsächlich bei Antrieben mit geringer Leistung eingesetzt. Die Hauptbeschränkungen der Ausgangsbelastbarkeit eines Linearverstärkers liegen in den thermischen Eigenschaften der Ausgangsstufe und dem Durchbruchverhalten der Ausgangstransistoren. Die Verlustleistung der Ausgangsstufe ergibt sich aus dem Produkt aus Strom und Spannung über den Ausgangstransistoren. PWM-Verstärker hingegen sind effizient und werden typischerweise für Leistungen über 100 W eingesetzt. Diese Verstärker schalten die Ausgangsspannung mit Frequenzen bis zu 50 MHz. Der Durchschnittswert der Ausgangsspannung ist proportional zur Sollspannung. Der Vorteil dieses Typs besteht darin, dass die Spannung ein- und ausgeschaltet wird, was zu einer deutlich höheren Verlustleistung führt.

Nachdem Sie den Verstärkertyp ausgewählt haben, müssen Sie im nächsten Schritt sicherstellen, dass der Verstärker den erforderlichen Dauerstrom und die Ausgangsspannung in den erforderlichen Stufen für die maximale Motordrehzahl (oder Lineargeschwindigkeit bei Linearmotoren) der Anwendung bereitstellen kann.

Bei bürstenlosen Linearmotoren kann man zwischen Verstärkern unterscheiden. Zwei Arten der Motorkommutierung sind allgemein gebräuchlich: Trapez- und Sinuskommutierung. Die Trapezkommutierung ist eine digitale Kommutierungsart, bei der der Strom für jede der drei Phasen entweder ein- oder ausgeschaltet wird. Dies geschieht üblicherweise durch im Motor eingebaute Hall-Sensoren. Externe Magnete lösen die Sensoren aus. Die Beziehung zwischen den Hall-Sensoren, den Spulenwicklungen und den Magneten ist jedoch kritisch und weist stets eine kleine Positionstoleranz auf. Die Reaktionszeit der Sensoren erfolgt daher immer etwas phasenverschoben zur tatsächlichen Spulen- und Magnetposition. Dies führt zu leichten Schwankungen bei der Stromzufuhr zu den Spulen und damit zu unvermeidlichen Vibrationen.

Die Trapezkommutierung eignet sich weniger gut für hochpräzise Scan- und Konstantgeschwindigkeitsanwendungen. Da sie jedoch kostengünstiger als die Sinuskommutierung ist, wird sie häufig für Hochgeschwindigkeits-Punkt-zu-Punkt-Systeme oder Systeme verwendet, bei denen die Bewegungsglätte die Verarbeitung nicht beeinträchtigt.

Bei der Sinuskommutierung erfolgt kein Ein- und Ausschalten. Vielmehr wird die 360-Grad-Phasenverschiebung der drei Phasen durch elektronische Schaltung sinusförmig moduliert. Dies führt zu einer gleichmäßigen, konstanten Kraft des Motors. Die Sinuskommutierung eignet sich daher gut für die Herstellung präziser Konturen und für Anwendungen, die eine präzise konstante Geschwindigkeit erfordern, wie z. B. Scan- und Bildverarbeitungsanwendungen.

Controller
Es gibt mehr Controllerklassen, als wir hier ausführlich besprechen können. Grundsätzlich können Controller je nach Programmiersprache und Steuerungslogik in verschiedene Kategorien unterteilt werden.

Speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS) verwenden ein leiterbasiertes Logikschema. Sie dienen hauptsächlich zur Steuerung mehrerer diskreter Ein-/Ausgabefunktionen (E/A), obwohl einige auch eingeschränkte Bewegungssteuerungsfunktionen bieten.

Numerische Steuerungssysteme (NC) werden über eine Industriestandardsprache, RS274D oder eine Variante davon, programmiert. Sie können komplexe Bewegungen wie Kugel- und Spiralformen mit Mehrachsensteuerung ausführen.

Nicht-NC-Systeme verwenden eine Vielzahl proprietärer Betriebssysteme, darunter benutzerfreundliche Schnittstellenprogramme für grundlegende Bewegungsprofile. Die meisten dieser Steuerungen bestehen aus einem Basismodul ohne Monitor oder Tastatur. Die Steuerung kommuniziert über eine RS-232-Schnittstelle mit einem Host. Der Host kann ein PC, ein Terminal oder ein tragbares Kommunikationsgerät sein.

Fast alle modernen Steuerungen sind digital. Sie bieten ein Maß an Zuverlässigkeit und Bedienkomfort, das bei analogen Steuerungen bisher unerreicht war. Die Geschwindigkeitsrückmeldung wird üblicherweise aus dem Achsenpositionssignal abgeleitet. Alle Servoparameter werden per Software eingestellt, anstatt mühsam die Potentiometer der Antriebsverstärker einzustellen, die nach Gebrauch und bei Temperaturschwankungen zum Driften neigen. Die meisten modernen Steuerungen bieten zudem eine automatische Abstimmung aller Servoparameter der Achsen.

Die fortschrittlicheren Steuerungen verfügen zudem über verteilte Verarbeitung und die Achsensteuerung mittels digitalem Signalprozessor (DSP). Ein DSP ist im Wesentlichen ein Prozessor, der speziell für die sehr schnelle Durchführung mathematischer Berechnungen entwickelt wurde (mindestens zehnmal schneller als ein Mikroprozessor). Dadurch können Servo-Abtastzeiten in der Größenordnung von 125 ms erreicht werden. Der Vorteil liegt in der präzisen Steuerung der Achsen für konstante Geschwindigkeitsregelung und gleichmäßige Konturführung.

Ein Proportional-Integral-Differential-Filteralgorithmus (PID) sowie Geschwindigkeits- und Beschleunigungsvorsteuerung verbessern die Servosteuerung der Achse. Zusätzlich kontrolliert die S-Kurven-Programmierung der Beschleunigungs- und Verzögerungsprofile den Ruck, der üblicherweise beim Starten und Stoppen der Tischbewegung auftritt. Dies sorgt für einen gleichmäßigeren, kontrollierteren Betrieb und führt zu schnelleren Einschwingzeiten von Position und Geschwindigkeit.

Steuerungen verfügen zudem über umfangreiche digitale oder analoge Ein-/Ausgabemöglichkeiten. Das Anwenderprogramm oder Unterprogramm kann abhängig von Positions-, Zeit- oder Statusinformationen, Variablenwerten, mathematischen Operationen, externen oder internen E/A-Ereignissen oder Fehlerinterrupts angepasst werden. Der Anwenderprozess lässt sich problemlos automatisieren.

Darüber hinaus können die meisten Steuerungen die Auflösung der Positionsrückmeldung durch elektronische Multiplikation erhöhen. Obwohl die 4-fache Multiplikation üblich ist, können einige fortschrittliche Steuerungen bis zu 256-fach multiplizieren. Dies führt zwar nicht zu einer Verbesserung der Genauigkeit, erhöht aber die Stabilität der Achsenposition und – was in vielen Anwendungen noch wichtiger ist – die Wiederholgenauigkeit.

Bei Ihrem Gesamtansatz müssen Sie neben den oben genannten Faktoren auch weitere Faktoren berücksichtigen, die die Komponentenauswahl beeinflussen können, wie z. B. Budget, Umgebung, Lebensdauer, Wartungsfreundlichkeit, MTBF und Endbenutzerpräferenzen. Der modulare Ansatz ermöglicht die Systemzusammenstellung aus standardmäßigen, leicht verfügbaren Komponenten, die selbst anspruchsvollste Anwendungsanforderungen erfüllen, wenn ein System von Grund auf auf die Gesamtkomponentenkompatibilität analysiert wird.