Absolute Längen

Sensorik

Messsysteme – Bei der Entwicklung eines neuen Messsystems für geometrische Größen sind die Vorteile von optoelektronischen und magnetischen Messverfahren in einem neuen induktiven Abtastprinzip vereint worden.

31. August 2010

Die österreichische Firma Amo, ist ein hochtechnologisches Unternehmen im Bereich von Längen- und Winkelmesssystemen. Das jüngste Mitglied im Portfolio von Amo ist das innovative Längenmesssystem LMIA. Es gehört zur Systemfamilie Absys, mit dem das Unternehmen sein Programm der Längen- und Winkelmesssysteme um ein absolutes Messverfahren erweitert. Absys-Systeme dienen der Längen- und Winkelerfassung und nutzen das induktive Messprinzip Amosin.

Technisch gesehen ist bei absoluten Messverfahren die laufende Position in jedem Moment in absolutem Bezug zur Anlage festzustellen, unabhängig davon, ob die Achse steht oder sich bewegt. Die Position wird in gewünschter Auflösung über die serielle Übertragung der Steuerung bei Abfrage zur Verfügung gestellt. Dabei sind Auflösungen von unter einem Mikrometer möglich. Vorteilhaft ist das absolute Messverfahren bei der Kommutierung von Direktantrieben und der Betrachtung von Anlagen-Taktzeiten, Produktivität und Anlagensicherheit.

Bedingt durch die Entwicklung der Messtechnik und die lange Zeit begrenzte Verfügbarkeit absoluter Messsysteme ist die inkrementelle Positionserfassung heute noch wesentlich stärker im Markt vertreten. Dieses Messverfahren beruht auf dem Prinzip, die laufende Position durch das Auf- oder Abaddieren von Messinkrementen bezogen auf den Standpunkt der Achse oder auf eine festgelegte Referenzlage zu bestimmten.

Absolutes Messen

Das neue System für die Längenmessung besteht aus dem Maßstab LMBA-100 und dem Abtastkopf LMKA-100. Der Maßstab ist ein dünner Stahlstreifen mit einem Ausdehnungskoeffizienten von 13 ppm. Zur Befestigung wird dieser Streifen auf das betreffende Maschinenteil geklebt. Die Teilungen des Maßstabs sind eingeätzt und weisen in ihren Teilbereichen eine unterschiedliche Reluktanz als Messinformation auf. Es gibt verschiedene Versionen mit einer Genauigkeit von bis zu ±3 Mikrometer pro Meter. Der Abtastkopf wird in Auflösungen von 1 und 0,25 Mikrometer angeboten und beinhaltet den induktiven Sensor sowie die Auswertelektronik. Die Signalausgabe erfolgt über eine serielle Schnittstelle. Bei Taktzeiten von 100 Kilohertz und 2 Megahertz wird SSI mit SIN/COS 1 Vss kombiniert, und BiSS/C eignet sich für Taktzeiten bis zu 10 Megahertz. In Vorbereitung sind weitere Schnittstellen und eine Ausführung, die nicht geklebt werden muss.

Am Beispiel des neuen Längenmesssystems sind die Unterschiede zwischen inkrementalen und absoluten Messverfahren leicht erkennbar. Durch die relativen Bewegungen in Messrichtung zwischen Maßstab und Abtastkopf erfassen die einzelnen Spulen unterschiedliche Bereiche und erzeugen dadurch positionsabhängige Signale. Die Inkrementalsensoren in beiden Abtastköpfen erzeugen sinusförmige Signale mit zwei phasenverschobenen Ausgängen für Sinus und Cosinus. Annähernd rechteckig sind die Signale, die der Referenzsensor im inkrementalen Abtastkopf und die Absolutsensorelemente in dem entsprechenden Abtastkopf erzeugen. Beide Maßstäbe haben jeweils zwei parallele Messspuren, der inkrementale eine Referenzspur mit einzelnen Marken und eine periodische Inkrementalspur. Der absolute Maßstab beinhaltet eine Random Code-Spur und eine identische inkrementale Spur. Die Random Code-Spur ist so konzipiert, dass jede Kombination von benachbarten Teilungsbereichen der Länge ?, nur ein einziges mal auf der gesamten Messstrecke vorkommt. Als ganzzahlige Werte bilden sie für den ausgegebenen Positionswert die sogenannte grobe Absolutposition.

Die ergänzenden Werte der Kommastellen in der Positionsinformation werden aus der inkrementellen Teilung gewonnen und dem Ganzteil zugefügt. Innerhalb einer Teilungsperiode kann anhand der Sinus- und Cosinussignale über die Bildung der Arcustangente der elektrische Winkel Theta bestimmt werden. Dieser entspricht der feinen Absolutposition innerhalb einer Periode und bildet die Nachkommastellen des Positionswerts. Durch das Zusammenfügen der beiden Absolutlagen grob und fein wird der endgültige Positionswert gebildet. In der Annahme, dass der Analog-Digitalwandler, der die Inkremental-Signale verarbeitet, eine Periode ? von 1 Millimeter in 1000 Inkremente aufteilt, wird ein Inkrement 1 Mikrometer Länge betragen. Die Absolutposition wird bei jeder Abfrage der Steuerung aufs Neue ermittelt und quasi in Echtzeit zur Verfügung gestellt.

Die induktiven Messsysteme von Amo zeichnen sich durch hohe Genauigkeit und große Robustheit gegen Umwelteinflüsse aus. Das rein induktive, originale Arbeitsprinzip dieser Messsysteme basiert auf der kontaktfreien Abtastung eines strukturierten Maßstabs von einer planaren Mikrospulenstruktur, die zusammen mit der Auswertelektronik im Abtastkopf integriert ist. Der Maßstab besteht aus einem korrosionsfreien Federstahlstreifen, der die hochgenaue Teilung trägt. Der inerte Maßstab kann nicht durch externe elektromagnetische Felder zerstört werden und zeigt prinzipbedingt keine Hysterese, wie dies bei magnetischen Systemen möglich ist. Aufgrund der Schutzart IP 67, der alle Amosin-Systeme entsprechen, können die Messsysteme praktisch überall eingesetzt werden.

Erschienen in Ausgabe: 06/2010