03.07.2020
Grundlagen

Drei Möglichkeiten zur Erhöhung der 3D-Genauigkeit von Positionierungssystemen

  • Abbildung 1 zeigt eine lineare  Bewegungsachse, die mit einem Laser­interferometer auf einer bestimmten Arbeitshöhe kalibriert wird.Abbildung 1 zeigt eine lineare Bewegungsachse, die mit einem Laser­interferometer auf einer bestimmten Arbeitshöhe kalibriert wird.
  • Abbildung 1 zeigt eine lineare  Bewegungsachse, die mit einem Laser­interferometer auf einer bestimmten Arbeitshöhe kalibriert wird.
  • Abbildung 2 zeigt fünf der sechs möglichen Fehlerquellen auf einer einzelnen linearen Bewegungsachse. Der sechste Fehler ist die ­Wiederholgenauigkeit der Achse oder die Genauigkeit des Feedback-Geräts, mit dem die Position der Achse selbst gemessen wird.

Positioniersysteme automatisieren in der Praxis hochpräzise Fertigungsprozesse – viele dieser Prozesse finden in 3D statt. Hier ist es meist schwieriger, Fertigungstoleranzen in Mikrometern und Nanometern zu erreichen, da Positionierungs­systeme im 3D-Raum zusätzliche Fehler aufweisen. Wenn wir jedoch von räumlicher Positionierungsgenauigkeit oder ­3D-Genauigkeit sprechen, können einige grundlegende Überlegungen den Konstrukteur dabei unterstützen, seine ­gewünschten Toleranzziele zu erreichen.

Hohe Steifigkeit ist unerlässlich für ein Positionierungssystem, um im Nanometerbereich exakt positionieren zu können. Deshalb sollten bei der Konstruktion alle Möglichkeiten in Erwägung gezogen werden, um fehlende Steifigkeit zu kompensieren. Wird sie bereits bei der mechanischen Konstruktion verbessert, resultiert daraus unmittelbar eine Erhöhung der Wiederholgenauigkeit der Bewegung, was letztlich auch das Erreichen hoher 3D-Genauigkeiten erheblich erleichtert. Wie der Begriff schon sagt, ist eine nicht wiederholbare Bewegung also eine Bewegung, die nicht durch Software-Kalibrierung und Korrekturtabellen vorhergesagt und kompensiert werden kann (siehe Absatz: Verwenden von Kalibrierungs- und Korrekturtabellen).
Zudem gibt es für den Konstrukteur unterschiedliche Richtungen, in denen die Steifigkeit verbessert werden muss. Es gibt Fehlerbewegungen in sechs Freiheitsgraden (D.O.F.) für jede einzelne Bewegungsachse, die zu einer Positionierungsplattform hinzugefügt wird. Was bedeutet das aber, wenn ein Bearbeitungsprozess sechs Bewegungsachsen erfordert? Letztlich heißt das, sechs Freiheitsgrade mal sechs Achsen ergibt 36 mögliche Fehlerquellen, um die sich der Konstrukteur sorgen muss. Durch das Erhöhen der Steifigkeit können die fünf unten gezeigten Ursachen für räumliche Positionierungsfehler verringert werden (s. Abb. 2)

Feedback-Mechanismen am ­Arbeitspunkt hinzufügen

Der Konstrukteur kann beispielweise Feedback-Mechanismen integrieren, um die Anzahl der Abbe-Fehler zu verringern. Dabei ist dies recht einfach über das Reduzieren des Abstandes zwischen dem Feedback-Gerät der Positioniermechanik und dem Arbeitspunkt im Raum, den man für seinen Prozess verwendet, möglich.

Angenommen, der Konstrukteur hat ein XY-Positionierungssystem, das ein Werkstück bewegt, und will ermitteln, was mit diesem Teil an einem Punkt im Raum geschieht, der sich 100 mm über dem XY-Positionierungssystem befindet. Hier kann das Hinzufügen einer zweiten Rückkopplungsquelle, die 100 mm über der XY-Mechanik liegt, den Bewegungsachsen wertvolle Informationen liefern und es ihnen ermöglichen, eventuell vorhandene Abbe-Fehler zu kompensieren.

Verwenden von Kalibrierungs- und ­Korrekturtabellen

Auf diese Methoden verlassen sich viele Konstrukteure, um die inhärent begrenzten Mechanismen und Antriebsmechanismen zu korrigieren. In der Praxis würde man ein hochauflösendes Messgerät verwenden, um die tatsächliche Position einer Bewegungsachse zu messen, während sie definiert bewegt wird. Hierbei wird die Differenz zwischen der tatsächlichen Messung und der Messung in Bewegung berechnet und in einer Korrekturdatei hinzugefügt. Wenn die Achse nun das nächste Mal den Befehl erhält, sich um dieselbe Strecke zu bewegen, korrigiert sie sich selbst basierend auf der tatsächlichen Messung, die von dem externen Messgerät durchgeführt wurde. Die Kalibrierung ist ein Offline-Prozess und funktioniert nur bei wiederholbaren Fehlern.

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