Präzision und Tempo

Sensorik

Motorfeedback – Ein kompaktes absolutes Linearmotorfeedback-System ermöglicht die hochpräzise Steuerung von ultradynamischen Linearmotoren.

27. August 2012

Ein Trend in vielen Applikationen der Antriebstechnik ist die Forderung nach immer mehr Präzision, Geschwindigkeit, Dynamik, Steifigkeit und zugleich hoher Regelgüte, die sich mit mechanisch gekoppelten Linearsystemen wie Spindeln oder Zahnriemen oft nicht mehr erfüllen lässt. In zunehmendem Maße werden solche mechanischen Linearsysteme deshalb durch Direktantriebe mit Linearmotoren ersetzt. Die Verfahrwege dieser Linearantriebe können von wenigen Zentimetern bis hin zu mehreren Metern betragen. Die Wagen oder Schlitten der direkt angetriebenen Achsen erreichen auf kurzem Verfahrweg hohe Geschwindigkeiten und eignen sich deshalb hervorragend für dynamische Handhabungs-, Montage- und Positioniervorgänge. Anwendung finden Linearmotor-Module deshalb unter anderem im Sondermaschinenbau, in der Photovoltaik, der Elektronikherstellung, in Palettiersystemen oder in Bestückungs- und Pick-&-Place-Automaten, in der Medizintechnik oder in Verpackungsmaschinen.

Unerlässlich für eine präzise Steuerung der hochdynamischen Bewegungen sind jedoch geeignete lineare Motorfeedback-Systeme, um die Position des Schlittens genau zu bestimmen. Eine besonders kompakte Lösung hierfür ist das Motorfeedback-System TTK70 des badischen Sensorikspezialisten Sick, das sich für Verfahrwege bis 4.000 Millimeter eignet. Das magnetische Funktionsprinzip, die große Messlänge, die sehr hohe Auflösung sowie die integrierte Hiperface-Schnittstelle eröffnen vielfältige Einsatzmöglichkeiten der absoluten Positionserfassung. Besonders kompakt bauende Linearachsen mit Verfahrwegen bis zu 1.000 Millimeter dagegen wurden bisher aufgrund des geringen Bauraums meist mit inkrementellen Messsystemen bestückt. Speziell für solche Anwendungen bietet Sick seit Frühjahr 2012 das noch kompaktere Modell TTK50. Das absolute Messsystem mit geringem Gewicht eignet sich damit ideal für den Einbau in Linearantrieben, in besonders kompakten Anwendungen, wie etwa Pick-&-Place-Einheiten.

Das lineare Messsystem TTK50 besteht aus einem Magnetband mit je einer inkrementalen und einer absoluten Spur mit einer magnetischen Teilung von 1 Millimeter als Maßverkörperung sowie aus einem Lesekopf, der beide Spuren gleichzeitig berührungslos erfasst und daraus die absoluten Positionswerte errechnet. Das magnetische Messprinzip arbeitet verschleiß- und wartungsfrei und ist unempfindlich gegenüber Verschmutzungen des Magnetbandes.

Kontrollierte Position

Zur Berechnung der absoluten Positionswerte während des Betriebes erfasst der Lesekopf beim Start des Linearmotors zunächst die absolute Anfangsposition. Anschließend berechnet der Antriebsregler über die Sinus/Cosinus-Signale die Ist-Positionen des Antriebes. Um die Zuverlässigkeit des Systems zu gewährleisten, kann der Antriebsregler zyklisch die Absolutposition des Lesekopfes anfordern und diese mit seiner errechneten Ist-Position vergleichen. Auf diese Weise lassen sich mögliche Positionsabweichungen frühzeitig korrigieren. Zudem benötigt der Linearmotor deshalb nach dem Hochfahren der Anlage keinen Referenzlauf.

Integrierte Elektronik

Durch die hohe Integration der Elektronik im Leichtmetall-Gehäuse wiegt der Lesekopf weniger als 70 Gramm. Linearmotormodule, die mit dem TTK50 ausgestattet werden, ermöglichen deshalb besonders dynamische Bewegungen. Dabei erlaubt das Linearmotorfeedback-System Verfahrgeschwindigkeiten bis 10 Meter pro Sekunde bei einer Auflösung von weniger als 1Mikrometer und einer Systemgenauigkeit besser als 10 Mikrometer. Der Linearencoder TTK50 ermöglicht damit hochdynamische Anwendungen, bei denen zugleich eine hochgenaue Positionserfassung gefordert ist.

Vorteile für die Integration in lineare Antriebslösungen bietet das System zudem durch die hohe Montagetoleranz des Magnetband-Lesekopf-Prinzips. Das robuste Metallgehäuse in Schutzart IP65 besitzt dazu zwei Montagebohrungen, die eine sichere, schlag- und vibrationsfeste Fixierung des Sensorkopfes am Schlitten oder Wagen des Linearantriebsmoduls gewährleisten.

Das elektronische Typenschild für die automatische Reglerparametrierung vereinfacht die Inbetriebnahme wesentlich, weil der Antriebsregler dadurch automatisch alle relevanten Kenndaten des Antriebssystems aus dem Motorfeedback-System auslesen kann. Die Übertragung der Antriebs- und Motorkenndaten sowie der Inbetriebnahme-Informationen vom Antrieb zum Linearencoder erfolgen dabei über die bidirektionale Hiperface-Schnittstelle, die umgekehrt auch die Positionswerte an die übergeordnete Auswerteelektronik des Linearantriebs überträgt. Für die Zukunft plant Sick zudem die Integration der rein digitalen Schnittstelle Hiperface DSL (Digital Servo Link) in die Linearencoder. Diese Schnittstelle ermöglicht die Kommunikation zwischen Antriebsregler und Feedback-System über lediglich zwei Kabeladern, da für die gesamte Motorfeedback-Kommunikation auch das Motorkabel mitbenutzt wird. Damit spart die digitale Schnittstelle Kosten, Platz und weiteres Gewicht. In der ersten Generation wird das digitale Linearmotorfeedback-System TTK50 außerdem voraussichtlich bis zur Sicherheitsstufe SIL2 ausgelegt.

Auf einen Blick

-Die Sick AG in Waldkirch ist ein führender Hersteller von Sensorikprodukten für die Fabrik-, Logistik- und Prozess-Automatisierung.

-Die magnetischen Linearencoder TTK70 und TTK50 zum Beispiel ermöglichen eine berührungslose, absolute Positionsbestimmung beim Einsatz von linearen Direktantrieben.

-Die Auflösung von bis zu 1 µm bei einer Systemgenauigkeit von ± 10 µm ermöglicht hochpräzise Anwendungen mit Verfahrgeschwindigkeiten bis zu 10 m/s.

Erschienen in Ausgabe: 06/2012