Welcher Kreuztisch für welche Anwendung?
Für die Architektur eines hochgenauen XY-Positioniersystems sind unterschiedliche Grundkonzepte möglich, die spezifische Vor- und Nachteile aufweisen. Unter anderem sind Achsanordnung, Antriebsart, Messsystem, Lagerungsvariante sowie Motion Control auf die konkrete Anwendung auszulegen und zu optimieren.
Bild 1. Der ›KT310DC‹ mit monolithischer Mittelplatte und mittigen Messsystemen
Das Hauptziel in der Entwicklungsarbeit von Positionierlösungen ist es, ein wiederholgenaues System zu konstruieren. Hochgenaue XY-Tische, auch Kreuztische genannt, werden bei Steinmeyer Mechatronik aus Dresden seit rund 25 Jahren entwickelt und gefertigt. Dabei werden teilweise Genauigkeiten erreicht, die
sonst nur bei Luftlagersystemen möglich sind. Als Strukturwerkstoff wird für Kreuztische fast ausschließlich Aluminiumguss verwendet. Denn die notwendige Biegesteifigkeit ergibt sich in erster Linie aus der Plattenhöhe und nur untergeordnet aus dem E-Modul des Materials. Für magnetfreie Systeme kommt aber auch Titan zum Einsatz.
Als Antriebssystem kommen je nach Anwendung unterschiedliche Typen infrage: Entweder ein geschliffener Kugelgewindetrieb mit SM-Motor, DC-Motor oder AC-Servo (abhängig von Last und Anwendungsfall), ein elektrodynamischer Linearmotor, der je nach Dynamik- und Ebenheitsforderung eisenlos oder eisenbehaftet ist, Piezomotoren vom Typ ›Piezo-Legs‹ oder ›Nanomotion‹. Darüber hinaus lässt sich die Genauigkeit durch hochpräzise Feedback-Systeme erhöhen. Diese Messsysteme beziehungsweise Linear-Encoder werden durch lineare oder Polynomkompensation der systematischen Fehler ergänzt.
Genauigkeitsanforderungen beleuchten
Als Feedback-System setzt Steinmeyer in den meisten Fällen auf inkrementelle Maßstäbe aus Stahl oder ›Zerodur‹ beziehungsweise ›Zeromet‹. Für eine Genauigkeit im einstelligen Mikrometerbereich ist dies ausreichend. Bei Genauigkeitsanforderungen von weniger als einem Mikrometer ist es dagegen sinnvoll, interferometrisches Positionsfeedback zu verwenden. Bei Open-Loop-Systemen, die ohne Messsystem auskommen, lässt sich nur eine Präzision im zweistelligen Mikrometerbereich erzielen. Wegen des einfacheren Controllers und des fehlenden Messsystems ist das jedoch die kostengünstigere Lösung.
Bei den Controllern handelt es sich entweder um einfache 24-V-Systeme mit Punkt-zu-Punkt-Regelung und USB-Anschluss oder um dynamisch interpolierende Systeme mit 2D-Bahnsteuerung und Fehlerkompensation mit industrietauglichen 600 V und Busanbindung. Die Wahl ist abhängig von den Genauigkeits- und Dynamikerwartungen sowie dem übergeordneten System des Anwenders.
Konstruktion des Systems
Bei der Konstruktion eines Präzisionspositioniersystems gilt es, allgemeine Grundregeln zu beachten. So darf das Führungsverhältnis nicht unter 1,5:1 (Länge zu Breite) liegen. Zudem sollte das Abbésche Prinzip so weit wie möglich eingehalten werden: Der Maßstab sollte möglichst mittig und so nah wie möglich am positionierenden Objekt liegen.
Eine mittige Maßstabsmontage ist bei Durchlichtsystemen kaum realisierbar. Einen Kompromiss stellen zwei seitlich montierte Maßstäbe dar, die zu einem virtuellen mittigen Maßstab verrechnet werden. Je nach Position der Querachse ist auch ein seitlicher, virtuell verschiebbarer Maßstab möglich.
Antriebe und Anschläge, insbesondere bei hochdynamischen Systemen, sollten im Masseschwerpunkt liegen. In den meisten Fällen führt dies ebenfalls zu einem mittigen Antrieb, wo sich eigentlich schon das Messsystem befindet. Die Kompromisslösung ist hierbei eine steife Führung oder zwei seitliche, parallel geschaltete Antriebe, was jedoch nur bei Linearmotoren oder Piezomotoren praktikabel ist.
Hersteller
Steinmeyer Mechatronik GmbH
01259 Dresden
Tel. +49 351 88585-0
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