Bühnen-, Antriebs- und Encoder-Design.

Die Komponenten Ihres hochpräzisen Positionierungssystems – Lager, Positionsmesssystem, Motor- und Antriebssystem und Steuerung – müssen bestmöglich zusammenarbeiten. Teil 1 behandelte Systembasis und Lager. Teil 2 behandelte die Positionsmessung. Hier besprechen wir das Bühnen-, Antriebs- und Encoder-Design. der Antriebsverstärker; und Controller.

Die drei am häufigsten verwendeten Methoden zum Zusammenbau von Lineartischen bei Verwendung von Linear-Encodern:
• Antrieb und Encoder werden im oder möglichst nahe am Massenschwerpunkt des Schlittens positioniert.
• Der Antrieb liegt im Massenschwerpunkt; Der Encoder wird an einer Seite befestigt.
• Der Antrieb befindet sich auf einer Seite; der Encoder andererseits.

Das ideale System hat den Antrieb im Zentrum der Schlittenmasse mit dem Encoder. Dies ist jedoch meist unpraktisch. Der übliche Kompromiss besteht darin, das Laufwerk leicht seitlich zu platzieren; der Encoder, leicht versetzt zur anderen Seite. Dies ergibt eine gute Annäherung an einen zentralen Antrieb mit der Bewegungsrückmeldung neben dem Antriebssystem. Zentralantriebe werden bevorzugt, da die Antriebskraft keine unerwünschten Kraftvektoren in den Schlitten einbringt, die ein Verdrehen oder Spannen verursachen. Da das Lagersystem den Schlitten fest einspannt, würde das Spannen zu erhöhter Reibung, Verschleiß und Ungenauigkeiten bei der Lastposition führen.

Eine alternative Methode verwendet ein Portalsystem mit zwei Antrieben, einen auf jeder Seite des Schlittens. Die resultierende Antriebskraft ist einem Zentralantrieb nachempfunden. Mit dieser Methode können Sie die Positionsrückmeldung in der Mitte lokalisieren. Wenn dies nicht möglich ist, können Sie Encoder auf jeder Seite anbringen und den Tisch mit einer speziellen Portalantriebssoftware steuern.

Antriebsverstärker
Servoantriebsverstärker empfangen Steuersignale, normalerweise ±10 VDC, von der Steuerung und stellen dem Motor Betriebsspannung und Ausgangsstrom zur Verfügung. Im Allgemeinen gibt es zwei Arten von Leistungsverstärkern: den linearen Verstärker und den pulsweitenmodulierten (PWM) Verstärker.

Linearverstärker sind ineffizient und werden daher hauptsächlich bei Antrieben mit geringer Leistung eingesetzt. Die Hauptbeschränkungen für die Ausgangsleistungsbelastbarkeit eines Linearverstärkers sind thermische Eigenschaften der Ausgangsstufe und Durchbruchseigenschaften von Ausgangstransistoren. Die Verlustleistung der Ausgangsstufe ist das Produkt aus Strom und Spannung an den Ausgangstransistoren. Im Gegensatz dazu sind PWM-Verstärker effizient und werden typischerweise für Leistungen über 100 W eingesetzt. Diese Verstärker schalten die Ausgangsspannung bei Frequenzen bis zu 50 MHz. Der Durchschnittswert der Ausgangsspannung ist proportional zur Befehlsspannung. Der Vorteil dieses Typs besteht darin, dass die Spannung ein- und ausgeschaltet wird, was zu einer deutlich erhöhten Verlustleistung führt.

Nachdem Sie den Verstärkertyp ausgewählt haben, besteht der nächste Schritt darin, sicherzustellen, dass der Verstärker den erforderlichen Dauerstrom und die erforderliche Ausgangsspannung in den erforderlichen Pegeln für die maximale Motordrehzahl (oder Lineargeschwindigkeit bei Linearmotoren) der Anwendung liefern kann.

Bei bürstenlosen Linearmotoren kann man noch einmal zwischen Verstärkern unterscheiden. Im Allgemeinen werden zwei Arten der Motorkommutierung verwendet: trapezförmig und sinusförmig. Bei der Trapezkommutierung handelt es sich um eine digitale Art der Kommutierung, bei der der Strom für jede der drei Phasen entweder ein- oder ausgeschaltet wird. Dies geschieht üblicherweise durch in den Motor implantierte Hall-Effekt-Sensoren. Externe Magnete lösen die Sensoren aus. Allerdings ist die Beziehung zwischen den Hall-Effekt-Sensoren, den Spulenwicklungen und den Magneten kritisch und weist stets eine geringe Positionstoleranz auf. Der Reaktionszeitpunkt der Sensoren erfolgt daher immer etwas phasenverschoben gegenüber den tatsächlichen Spulen- und Magnetpositionen. Dies führt zu einer leichten Variation der Strombeaufschlagung der Spulen, was zu unvermeidlichen Vibrationen führt.

Für sehr präzise Abtastungen und Anwendungen mit konstanter Geschwindigkeit ist die trapezförmige Kommutierung weniger geeignet. Allerdings ist sie kostengünstiger als die Sinuskommutierung und wird daher häufig für Punkt-zu-Punkt-Systeme mit hoher Geschwindigkeit oder für Systeme verwendet, bei denen die Bewegungsglätte die Verarbeitung nicht beeinträchtigt.

Bei der Sinuskommutierung erfolgt keine Ein-Aus-Schaltung. Vielmehr wird mittels elektronischer Schaltung die 360-Grad-Stromphasenverschiebung der drei Phasen sinusförmig moduliert. Dies führt zu einer gleichmäßigen, konstanten Kraft vom Motor. Die sinusförmige Kommutierung eignet sich daher gut für die Erstellung präziser Konturen und für Anwendungen, die eine präzise konstante Geschwindigkeit erfordern, wie z. B. Scan- und Bildverarbeitungsanwendungen.

Controller
Es gibt mehr Klassen von Controllern, als wir hier ausreichend diskutieren können. Grundsätzlich lassen sich Steuerungen je nach Programmiersprache und Steuerungslogik in mehrere Kategorien einteilen.

Programmierbare Logiksteuerungen (SPS) verwenden ein „Leiter“-Logikschema. Sie werden hauptsächlich zur Steuerung mehrerer diskreter Ein-/Ausgabefunktionen (I/O) verwendet, obwohl einige wenige eingeschränkte Bewegungssteuerungsfunktionen bieten.

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

Nicht-NC-Systeme verwenden eine Vielzahl proprietärer Betriebssysteme, einschließlich benutzerfreundlicher Schnittstellenprogramme für grundlegende Bewegungsprofile. Die meisten dieser Controller bestehen aus einem einfachen Controller-Modul ohne Monitor oder Tastatur. Der Controller kommuniziert mit einem Host über einen RS-232-Anschluss. Der Host kann ein Personal Computer (PC), ein dummes Terminal oder ein tragbares Kommunikationsgerät sein.

Fast alle modernen Controller sind digitale Controller. Sie bieten ein Maß an Zuverlässigkeit und Benutzerfreundlichkeit, das bei analogen Steuerungen bisher unbekannt war. Geschwindigkeitsrückmeldungsinformationen werden normalerweise aus dem Achsenpositionssignal abgeleitet. Alle Servoparameter werden per Software angepasst, anstatt die „Töpfe“ des Antriebsverstärkers mühsam anzupassen, die nach dem Gebrauch und bei Temperaturänderungen dazu neigen, zu driften. Die meisten modernen Steuerungen bieten auch ein Autotuning aller Achsservoparameter.

Die fortschrittlicheren Steuerungen umfassen außerdem eine verteilte Verarbeitung und eine DSP-Achsensteuerung (Digital Signal Processor). Ein DSP ist im Wesentlichen ein Prozessor, der speziell dafür entwickelt wurde, mathematische Berechnungen sehr schnell durchzuführen (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 Achse für eine konstante Geschwindigkeitsregelung und eine gleichmäßige Konturierung.

Ein Proportional-Integral-Derivative (PID)-Filteralgorithmus sowie eine Geschwindigkeits- und Beschleunigungsvorsteuerung verbessern die Servosteuerung der Achse. Darüber hinaus steuert die S-Kurven-Programmierung von Beschleunigungs- und Verzögerungsprofilen den Ruck, der normalerweise beim Starten und Stoppen der Tischbewegung auftritt. Dies sorgt für einen reibungsloseren, kontrollierteren Betrieb und führt zu schnelleren Einschwingzeiten für Position und Geschwindigkeit.

Controller verfügen außerdem über umfangreiche digitale oder analoge Ein-/Ausgabefunktionen. Abhängig von Positions-, Zeit- oder Statusinformationen, den Werten von Variablen, mathematischen Operationen, externen oder internen I/O-Ereignissen oder Fehlerinterrupts kann das Anwenderprogramm oder Unterprogramm geändert werden. Der Prozess des Benutzers kann leicht automatisiert werden.

Darüber hinaus können die meisten Steuerungen die Auflösung der Positionsrückmeldung durch elektronische Multiplikation erhöhen. Obwohl eine 4-fache Multiplikation üblich ist, können einige fortgeschrittene Controller bis zu 256-fach multiplizieren. Obwohl dies keine Verbesserung der Genauigkeit mit sich bringt, führt es zu einer echten Steigerung der Stabilität der Achsenposition und – was bei vielen Anwendungen noch wichtiger ist – der Wiederholgenauigkeit.

Bei Ihrem Gesamtansatz müssen Sie neben den oben genannten Faktoren auch andere Faktoren berücksichtigen, die Komponentenentscheidungen beeinflussen können, wie z. B. Budget, Umgebung, Lebenserwartung, Wartungsfreundlichkeit, MTBF und Endbenutzerpräferenzen. Der modulare Ansatz ermöglicht den Systemaufbau aus standardmäßigen, leicht verfügbaren Komponenten, die selbst den anspruchsvollsten Anwendungsanforderungen gerecht werden, wenn ein System von Grund auf auf Gesamtkompatibilität der Komponenten analysiert wird.