Keine Positionsfehler!

Antriebstechnik

Positionierung – Ein wesentliches Leistungsmerkmal einer Maschine ist die Positioniergenauigkeit und ein entscheidender Faktor bei Auswahl und Entwicklung eines Servosystems. Laut Servotronix gibt es verschiedene Möglichkeiten, um die Leistungsfähigkeit von Maschinen zu steigern.

10. April 2018

Die Systemgenauigkeit als sehr wichtige Kenngröße im laufenden Betrieb wird durch eine Vielzahl von Bedingungen oder Faktoren beeinträchtigt, die die Performance verschlechtern. Beispielsweise können mechanische, elektronische oder optische Ungenauigkeiten während der Herstellung eines Gebers zu Positionsfehlern führen. Auch Umgebungsbedingungen, elektrische Störeinflüsse und sonstige externe Faktoren beeinträchtigen das Gebersignal. Eine weitere Ursache sind zu hohe Lasten, die die Komponenten im mechanischen System verbiegen.

In einem Getriebe ist das Spiel der entscheidende Faktor. Gewöhnliches Spiel ermöglicht das Ineinandergreifen der Zahnräder, ohne zu verklemmen, und bietet den erforderlichen Raum für die Schmierung. Übermäßiges Spiel, das zum Beispiel auftreten kann, wenn eine Leitspindelmutter oft die Richtung wechselt, führt zu Positionsfehlern. Bei Hysteresefehlern handelt es sich um Abweichungen zwischen der Ist- sowie der Soll-Position, die durch inkonsistente Antworten des Systems auf ansteigende und abfallende Eingangssignale entstehen. Um bei Kreuztischen eine präzise Positionierung zu erreichen, müssen die Verfahrwege auf der X- und der Y-Achse genau rechtwinklig zueinander sein.

Fehler genau bestimmen

Zur effektivsten Korrektur von Positionsfehlern muss bestimmt werden, ob die Fehler reproduzierbar sind. Ist das bei einer Abweichung von der Soll-Position der Fall, lassen sich im Servoantrieb bestimmte Funktionen oder Algorithmen aktivieren, um die erforderliche Genauigkeit zu erreichen und aufrechtzuerhalten. Treten Positionsfehler zufällig oder unregelmäßig auf, korrigiert dies ein externes Gerät am besten.

Generell lässt sich die Wiederholgenauigkeit von Positionsfehlern durch das Verfahren an eine definierte Position sowie eine entsprechende Messung bestimmen. Dazu eignet sich ein externes Präzisions-Rückführsystem wie ein Laser-Interferometer. Da Positionsfehler über den Verfahrweg hinweg variieren können, ist der Prüfvorgang an mehreren Positionen im linearen Antriebssystem zu wiederholen. Wenn Fehler wiederholbar sind, ist ihr Auftreten vorhersehbar. Dann kann die Firmware des Servoantriebs die erforderlichen Korrekturen vornehmen sowie für ausreichend Genauigkeit sorgen und diese aufrechterhalten, ohne dass dafür ein externes Rückführsystem erforderlich ist. Vor allem für lineare Antriebssysteme hat der israelische Antriebsspezialist Servotronix eine Reihe von Methoden entwickelt, um Positionsfehler zu beheben.

Mit seinem Algorithmus zur Oberschwingungskompensation kann dessen Servoantrieb CDHD2 Drehmoment- und Rückführungsstörungen korrigieren. Bevor der Algorithmus angewendet wird, ist es wichtig, die Störquelle ordnungsgemäß zu bestimmen, damit die richtige Art der Oberschwingungskompensation verwendet werden kann. Wenn in einem System eine Resolver-Rückführung verwendet und ein Muster mit zwei Störungen pro Zyklus erkannt wird, ist mit hoher Wahrscheinlichkeit eine rückführungsbasierte Oberschwingungskompensation erforderlich.

Antriebssysteme, die ihre Genauigkeit nur an wenigen Punkten entlang des Verfahrwegs verlieren, benötigen auch nur dort eine Korrektur. Für derartige Fehler kann eine externe Messeinrichtung dazu verwendet werden, eine Fehlerzuordnungstabelle zu generieren, mit der der Antrieb Fehler an bestimmten Punkten korrigieren kann.

So lässt sich zum Beispiel die Position der Last auf einer linearen Achse mit einem Laser-Interferometer messen. Während der Motor die Last bewegt, misst das Interferometer die Strecke, die die Last zurückgelegt hat. Diese wird an jedem Punkt mit der Geberposition verglichen. Die Abweichung zwischen diesen beiden Werten ist der Positionsfehler. Sobald eine Fehlerzuordnung generiert wurde, wird sie im nicht-flüchtigen Speicher des Antriebs gespeichert, und eine Fehlerkorrekturfunktion im Antrieb kann aktiviert werden. Der Antrieb kann also basierend auf der Ist-Position einen Korrekturwert in Echtzeit abrufen und die Korrektur während des laufenden Betriebs anwenden. Sobald die Korrektur implementiert wurde, ist der Fehler zu vernachlässigen, und ein zusätzliches Positionsrückführsystem ist nicht mehr erforderlich.

Hilfe beim Erkennen

Um zufällige, nicht-reproduzierbare Fehler auszugleichen, benötigt das lineare Antriebssystem eine Methode zum Erkennen von Fehlern sowie zum Melden der Fehler an den Antrieb während des Betriebs. Eine gemeinhin effektive und zudem relativ kostengünstige Methode zum Beheben von solchen Fehlern ist das Installieren eines zweiten Gebers im Antriebssystem – und zwar an der Last. Der zweite Geber ermöglicht eine präzise Positions-Rückführung in Echtzeit, sodass Abweichungen im Antriebssystem korrigiert werden können.

Die Servotronix-Firmware im Servoantrieb CDHD2 bietet einen Regelkreis mit dualer Rückführung. Bei einer Anwendung mit zwei Regelkreisen wird die Motorrückführung für den Geschwindigkeitsregelkreis und die Kommutierung verwendet, während die sekundäre Rückführung für den Positionsregelkreis vorgesehen ist. Der CDHD2 unterstützt sowohl divers-sekundäre Rückführsysteme wie Inkrementalgeber und serielle Geber als auch analoge Positionsrückführungssysteme. Bei der Konfiguration mit zwei Regelkreisen ist eine Skalierung der sekundären Rückführung relativ zur Motorrückführung erforderlich.

Den Regelkreis mit doppelter Rückführung von Servotronix hat GE Healthcare in einer Reihe von PET-/CT-Scannern zur klinischen Bildgebung implementiert, bei denen eine Kugelumlaufspindel den Patiententisch mechanisch antreibt. Um den Auswirkungen des Spiels in dem Scannersystem entgegenzuwirken, wurden zwei Geber in die Achse eingebunden. Der Geber für die Positionsrückführung ist am Motor montiert, während ein zweiter Rückführungsgeber die Last überwacht. Die Regelung mit zwei Kreisen ermöglicht einen sanfteren Betrieb und eine genauere Positionierung des Bildgebungssystems. Zudem erkennt die Regelung einen Lastwegfall oder eine Kollision und sorgt so für zusätzliche Sicherheit. mk

Auf einen Blick

Der Stromregelkreis der Servoantriebe CDHD von Servotronix aus Israel erreicht einen Frequenzgang von drei bis fünf Kilohertz. Dabei reduziert eine in-telligente Selbstoptimierung Tracking-Fehler und minimiert die Einschwingzeit.

Erschienen in Ausgabe: 03/2018