LIC 4000: Absolutes Längenmessgerät mit 1-nm-Auflösung

  • Funktionsweise und Aufbau des optischen Abtastverfahrens im LIC 4000.Funktionsweise und Aufbau des optischen Abtastverfahrens im LIC 4000.
  • Funktionsweise und Aufbau des optischen Abtastverfahrens im LIC 4000.

Zur Ansteuerung und Regelung brauchen Direktantriebe ständig aktuelle und genaue Positionsinformationen über die Lage des Schlittens. Dabei bestimmen die verwendeten Längenmessgeräte die Genauigkeit, die Leistungsfähigkeit und die Zuverlässigkeit der einzelnen Achsen. In Verbindung mit Linearmotoren kommen derzeit vor allem kompakte berührungslos arbeitende Messgeräte zum Einsatz, sogenannte offene Längenmessgeräte. Wir stellen Ihnen eines vor.

Ein Vorteil der Direktantriebstechnik ist die sehr steife Ankopplung an die Vorschubmechanik ohne weitere mechanische Übertragungselemente. Dadurch werden deutlich höhere Regelkreisverstärkungen als bei konventionellen Antrieben möglich. Die Leistungsfähigkeit eines Linearmotors wird dabei entscheidend durch die Wahl des Positionsmessgeräts beeinflusst. Hohe Regelkreisverstärkungen können nur erreicht werden, wenn das Messgerät qualitativ hochwertige Positionssignale zur Verfügung stellt. Bereits kleine Störungen des Messsignals können über die benötigten hohen Verstärkungsfaktoren in den Regelkreisen zu Störungen des Antriebsverhaltens führen. Die höhere Qualität der Positionsinformation ermöglicht dabei eine spürbare Verbesserung der Geschwindigkeitsregelung und der Positionierung. Zudem zeigt der Motor ein ruhiges Betriebsverhalten und entwickelt wenig Wärme.

Geschwindigkeitserfassung an Direktantrieben

Bei Direktantrieben ist kein zusätzlicher Drehgeber zur Geschwindigkeitsbestimmung vorhanden. Lage und Geschwindigkeit werden über das Positionsmessgerät bestimmt - Längenmessgeräte bei Linearmotoren, Winkelmessgeräte bei rotatorischen Antrieben. Da die mechanische Übersetzung zwischen Drehzahlmessgerät und Vorschubeinheit fehlt, muss das Positionsmessgerät über eine entsprechend hohe Auflösung verfügen, um auch bei langsamen Verfahrgeschwindigkeiten eine exakte Geschwindigkeitsregelung zu ermöglichen. Die Geschwindigkeit wird dabei aus dem pro Zeiteinheit zurückgelegtem Weg ermittelt. Dieses Verfahren (es wird gleichermaßen bei konventionellen Achsen angewandt) stellt eine numerische Differentiation dar, die periodische Störungen oder Rauschen des Signals verstärkt. Durch die deutlich höhere Regelkreisverstärkung bei Direktantrieben steigt der Einfluss der Signalqualität auf das Antriebsverhalten beachtlich an.

Hochwertige Signale nötig

Für einen zielführenden Betrieb von Direktantrieben sind daher Längenmessgeräte notwendig, die ein qualitativ hochwertiges Positionssignal mit nur kleinen Interpolationsabweichungen erzeugen.

Hier eignen sich besonders Messgeräte mit photoelektrischem Abtastprinzip, da mit dieser Methode sehr feine Teilungen als Maßverkörperungen genutzt werden können. Diese Messgeräte zeigen Vorteile bei Positionierung, Laufruhe und Erwärmungsverhalten eines Direktantriebs.
Eine absolute Positionswertbildung und die damit verbundene Verfügbarkeit des Positionswertes unmittelbar bei Einschalten des Messgerätes ohne jegliche Achsbewegungen war bei offenen Längenmessgeräten bisher nicht verfügbar. Gekapselte absolute Messgeräte kommen aber nur bedingt für den Einsatz an Direktantrieben in Frage, da häufig kompakte Bauformen gefordert werden. Offene Systeme, die aufgrund der fehlenden Kapselung sehr klein und damit massearm sind, standen bisher nur in inkrementaler Ausführung zur Verfügung. Mit dem neuen LIC 4000 bietet Heidenhain nun auch ein absolutes und offenes Längenmessgerät mit serieller Schnittstelle EnDat 2.2 an.

Hohe Kantenschärfe und Homogenität

Heidenhain-Messgeräte mit optischer Abtastung benutzen Maßverkörperungen aus regelmäßigen Strukturen, sogenannte Teilungen. Sie zeichnen sich durch die hohe Kantenschärfe und Homogenität aus - eine grundlegende Voraussetzung für kleine Interpolationsabweichungen und damit für ein ruhiges Betriebsverhalten und hohe Regelkreisverstärkungen. Die quasi planar ausgeführte Teilungsstruktur, die im Metallur-Verfahren aufgebracht wird, ist äußerst tolerant gegen Verschmutzungen und trägt somit wesentlich zur Zuverlässigkeit eines Messgerätes bei. Bei der Baureihe LIC 4000 steht der Positionswert, dank der absoluten Teilung, unmittelbar nach dem Einschalten der Anlage zur Verfügung. Ein Verfahren der Achsen über die Referenzmarken zum Ermitteln der Bezugsposition ist nicht notwendig. Die absolute Positionsinformation wird aus der Maßstabteilung ermittelt, die als PRC-Spur (pseudo random coded) und separater Inkrementalspur aufgebaut ist. Die Positionsinformation wird mit einem neu entwickelten Abtastverfahren durch eine Auswertung der PRC-Spur und der Inkrementalspur ermittelt. Über ein hochintegriertes Opto-ASIC können dabei hohe Genauigkeit und Zuverlässigkeit der Positionsinformation erreicht werden.

Vorteile der seriellen Positionswertübertragung

Die Abtastsignale der Baureihe LIC 4000 werden direkt im Abtastkopf digitalisiert und zu einem hochaufgelösten Positionswert verrechnet. Auf diese Weise entfällt die bisher übliche Übertragung von Analogsignalen vom Abtastkopf zur Antriebsregelung. Mit der digitalen Übertragung der Position über EnDat 2.2 lassen sich die Vorteile des neuen absoluten Abtastverfahrens hinsichtlich Genauigkeit und Auflösung ohne Einbußen durch die Übertragung nutzen. Sowohl das Gleichlauf- als auch das Positionsverhalten von linearen Direktantrieben kann daher auf der Basis des LIC 4000 gesteigert werden.

Hochdynamische Antriebe weisen auf der Basis der Positionssignale vom LIC 4000 auch mit sehr hoher Proportionalverstärkung im Geschwindigkeitsregler ein unauffälliges Geräuschverhalten auf. Die hohen Regelkreisverstärkungen werden durch die hohe Taktrate der EnDat-Schnittstelle und die darüber erreichten kurzen Auslesezeiten überhaupt erst möglich. EnDat 2.2 gilt als die derzeit schnellste, rein serielle Schnittstelle für Positionsmessgeräte auf Basis der RS-485 Übertragungsphysik.

Fazit

Applikationen von Direktantrieben stellen häufig besondere Anforderungen an die Steuerungs- und Messtechnik. Messgeräte zur Erfassung der Lage und Geschwindigkeit des Antriebs müssen qualitativ hochwertige Signale zur Verfügung stellen. Als besonders kritisch für direktangetriebene Vorschubachsen erweisen sich kurzwellige Fehler im Lagemesssignal, welche zu Positionierfehlern, Gleichlaufschwankungen, starker Geräuschentwicklung und zusätzlicher Erwärmung führen können. In Bezug auf die Signalgüte zeigen sich Messgeräte mit optischer Abtastung und kleiner Signalperiode als besonders vorteilhaft, da sie hohe Genauigkeiten und Auflösungen ermöglichen. Mit dem kompakten offenen Längenmessgerät LIC 4000 steht jetzt auch ein absolutes Messgerät mit hoher Auflösung von einem Nanometer (1 nm) zur Verfügung. Für eine schnelle Datenübertragung sorgt die serielle EnDat 2.2 Schnittstelle. Neben der Übertragung von Positionsinformationen ermöglicht das EnDat-Protokoll diverse Zusatzinformationen, die z. B. zur Diagnose des Systems herangezogen werden können. (gro)

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Dr. Joh. Heidenhain GmbH
Dr.-Heidenhain-Str. 5
83301 Traunreut
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Telefon: +49 8669 31 2188

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