Bühnen-, Antriebs- und Encoder-Design.

Die Komponenten Ihres hochpräzisen Positioniersystems – Lager, Positionsmesssystem, Motor- und Antriebssystem sowie Steuerung – müssen optimal zusammenarbeiten. Teil 1 behandelte die Systembasis und die Lager. Teil 2 befasste sich mit der Positionsmessung. Hier gehen wir auf die Konstruktion von Positioniertisch, Antrieb und Encoder, den Antriebsverstärker und die Steuerungen ein.

Die drei gebräuchlichsten Methoden zum Zusammenbau von Lineartischen bei Verwendung von Linear-Encodern:
• Antrieb und Encoder sind im oder so nah wie möglich am Massenschwerpunkt des Schlittens positioniert.
• Der Antrieb befindet sich im Massenschwerpunkt; der Encoder ist an einer Seite angebracht.
• Der Antrieb befindet sich auf der einen Seite, der Encoder auf der anderen.

Im Idealfall befindet sich der Antrieb zusammen mit dem Encoder mittig im Schlitten. Dies ist jedoch in der Praxis meist unpraktisch. Üblicherweise wird daher der Antrieb leicht seitlich versetzt und der Encoder leicht seitlich angeordnet. Dadurch ergibt sich eine gute Annäherung an einen zentralen Antrieb, wobei die Bewegungsrückmeldung direkt neben dem Antriebssystem liegt. Zentrale Antriebe sind vorzuziehen, da die Antriebskraft keine unerwünschten Kraftvektoren in den Schlitten einbringt, die zu Verdrehungen oder Verkantungen führen könnten. Da das Lagersystem den Schlitten fest umschließt, würden Verkantungen erhöhte Reibung, Verschleiß und Ungenauigkeiten in der Lastposition verursachen.

Eine alternative Methode verwendet ein Portalsystem mit zwei Antrieben, je einem an jeder Seite des Schlittens. Die resultierende Antriebskraft simuliert einen zentralen Antrieb. Mit dieser Methode lässt sich die Positionsrückmeldung in der Mitte platzieren. Ist dies nicht möglich, können Encoder an jeder Seite angebracht und der Tisch mit spezieller Portalantriebssoftware gesteuert werden.

Treiberverstärker
Servoverstärker empfangen Steuersignale, üblicherweise ±10 V DC, vom Controller und liefern die Betriebsspannung und den Betriebsstrom für den Motor. Im Allgemeinen gibt es zwei Arten von Leistungsverstärkern: den Linearverstärker und den Pulsweitenmodulierten (PWM-)Verstärker.

Lineare Verstärker sind ineffizient und werden daher hauptsächlich für Antriebe mit geringer Leistung eingesetzt. Die Hauptbeschränkungen der Ausgangsleistungskapazität eines linearen Verstärkers sind die thermischen Eigenschaften der Ausgangsstufe und die Durchbruchcharakteristik der Ausgangstransistoren. Die Verlustleistung der Ausgangsstufe entspricht dem Produkt aus Strom und Spannung an den Ausgangstransistoren. PWM-Verstärker hingegen sind effizient und werden typischerweise für Leistungen über 100 W verwendet. Diese Verstärker schalten die Ausgangsspannung mit Frequenzen bis zu 50 MHz. Der Mittelwert der Ausgangsspannung ist proportional zur Steuerspannung. Der Vorteil dieses Verstärkertyps liegt im Ein- und Ausschalten der Spannung, wodurch die Verlustleistungskapazität deutlich erhöht wird.

Sobald Sie den Verstärkertyp ausgewählt haben, müssen Sie im nächsten Schritt sicherstellen, dass der Verstärker den erforderlichen Dauerstrom und die Ausgangsspannung in den erforderlichen Werten für die maximale Motordrehzahl (bzw. die Lineargeschwindigkeit bei Linearmotoren) der Anwendung liefern kann.

Bei bürstenlosen Linearmotoren lässt sich eine weitere Unterscheidung zwischen Verstärkern treffen. Im Allgemeinen werden zwei Arten der Motorkommutierung verwendet: die trapezförmige und die sinusförmige. Die trapezförmige Kommutierung ist eine digitale Kommutierungsart, bei der der Strom für jede der drei Phasen entweder ein- oder ausgeschaltet wird. Dies geschieht üblicherweise durch im Motor integrierte Hall-Effekt-Sensoren. Externe Magnete triggern die Sensoren. Die Beziehung zwischen den Hall-Effekt-Sensoren, den Spulenwicklungen und den Magneten ist jedoch kritisch und weist stets eine geringe Positionstoleranz auf. Die Ansprechzeit der Sensoren ist daher immer leicht phasenverschoben zu den tatsächlichen Spulen- und Magnetpositionen. Dies führt zu geringfügigen Schwankungen in der Stromzufuhr zu den Spulen und somit zu unvermeidbaren Vibrationen.

Die Trapezkommutierung ist für sehr präzises Scannen und Anwendungen mit konstanter Geschwindigkeit weniger geeignet. Sie ist jedoch kostengünstiger als die Sinuskommutierung und wird daher häufig für Hochgeschwindigkeits-Punkt-zu-Punkt-Systeme oder in Systemen eingesetzt, bei denen die Bewegungsglätte die Verarbeitung nicht beeinträchtigt.

Bei der sinusförmigen Kommutierung findet kein Ein-Aus-Schalten statt. Stattdessen wird die 360°-Stromphasenverschiebung der drei Phasen mittels elektronischer Schaltung sinusförmig moduliert. Dies führt zu einer gleichmäßigen, konstanten Kraft des Motors. Die sinusförmige Kommutierung eignet sich daher hervorragend für die Herstellung präziser Konturen und für Anwendungen, die eine präzise, ​​konstante Geschwindigkeit erfordern, wie beispielsweise Scannen und Bildverarbeitung.

Controller
Es gibt mehr Controller-Klassen, als wir hier angemessen behandeln können. Grundsätzlich lassen sich Controller je nach Programmiersprache und Steuerlogik in verschiedene Kategorien einteilen.

Programmierbare Logiksteuerungen (SPS) verwenden ein Kontaktplan-Schema. Sie werden hauptsächlich zur Steuerung mehrerer diskreter Ein-/Ausgabefunktionen (E/A) eingesetzt, obwohl einige wenige auch begrenzte Bewegungssteuerungsfunktionen bieten.

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

Systeme ohne NC-Steuerung verwenden verschiedene proprietäre 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-System. Als Host-System kann ein PC, ein Terminal oder ein mobiles Kommunikationsgerät dienen.

Nahezu alle modernen Steuerungen sind digitale Steuerungen. Sie bieten eine Zuverlässigkeit und Benutzerfreundlichkeit, die bei analogen Steuerungen undenkbar war. Die Geschwindigkeitsrückmeldung wird üblicherweise aus dem Achsenpositionssignal abgeleitet. Alle Servoparameter werden per Software angepasst, anstatt mühsam die Potentiometer der Ansteuerverstärker einzustellen, die sich im Laufe der Zeit und bei Temperaturänderungen verändern können. Die meisten modernen Steuerungen bieten zudem eine automatische Optimierung aller Achsenservoparameter.

Die fortschrittlicheren Steuerungen umfassen auch verteilte Signalverarbeitung und digitale Signalprozessoren (DSP) zur Achsensteuerung. Ein DSP ist im Wesentlichen ein Prozessor, der speziell für die extrem schnelle Durchführung mathematischer Berechnungen entwickelt wurde (mindestens zehnmal schneller als ein Mikroprozessor). Dadurch sind Servo-Abtastzeiten im Bereich von 125 ms möglich. Der Vorteil liegt in der präzisen Achsensteuerung für konstante Geschwindigkeiten und gleichmäßige Konturen.

Ein PID-Regler (Proportional-Integral-Differential-Regler) und eine Vorsteuerung von Geschwindigkeit und Beschleunigung optimieren die Servoregelung der Achse. Zusätzlich minimiert die S-Kurven-Programmierung der Beschleunigungs- und Verzögerungsprofile den Ruck, der üblicherweise beim Anfahren und Anhalten der Tischbewegung auftritt. Dies ermöglicht einen gleichmäßigeren und kontrollierteren Betrieb und führt zu kürzeren Einschwingzeiten für Position und Geschwindigkeit.

Die Steuerungen verfügen über umfangreiche digitale und analoge Ein-/Ausgabefunktionen. Das Benutzerprogramm oder die Unterroutine kann in Abhängigkeit von Position, Zeit oder Statusinformationen, Variablenwerten, mathematischen Operationen, externen oder internen E/A-Ereignissen oder Fehlerunterbrechungen angepasst werden. Der Benutzerprozess lässt sich problemlos automatisieren.

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

Bei Ihrem Gesamtansatz müssen Sie neben den oben genannten Faktoren weitere Aspekte berücksichtigen, die die Komponentenauswahl beeinflussen können, wie Budget, Umgebungsbedingungen, Lebensdauer, Wartungsfreundlichkeit, MTBF und Endnutzerpräferenzen. Der modulare Ansatz ermöglicht die Systemzusammenstellung aus standardisierten, leicht verfügbaren Komponenten, die selbst anspruchsvollste Anwendungsanforderungen erfüllen, sofern das System von Grund auf auf die Kompatibilität der Komponenten hin analysiert wird.