Inkrementaler Lineargeber für das Zusammenspiel mit Linearmotoren

Zwei Fliegen mit einer Klappe

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Beim Einsatz von linearen Direktantrieben werden an die linearen Messsysteme vielfältige Anforderungen gestellt. Der berührungslos arbeitende inkrementale Lineargeber LI ist für das enge Zusammenspiel mit Linearmotoren ausgelegt. Er erfüllt im Einsatz sowohl die Forderung nach hoher Auflösung und Genauigkeit als auch nach Robustheit. Zudem ist er kompatibel zu bisher eingesetzten Positioniersteuerungen und zeichnet sich durch Montagefreundlichkeit aus. Seine maximale Verfahrgeschwindigkeit beträgt 1200m/min.

Der Autor Dipl-Ing. (FH) Erwin Link ist Produktmanager bei der Hengstler GmbH, Aldingen

Der Einsatz des Linearmotors als spezielle Bauform des Elektromotors beschränkt sich bisher auf wenige Anwendungsgebiete. Pionierbranchen wie der Werkzeugmaschinenbau profitieren bereits von den Vorteilen dieses Direktantriebes. Linearmotorbetriebene Achsen steigern in Bearbeitungszentren die Produktivität um bis zu 100% gegenüber vergleichbaren Maschinen mit herkömmlichem Spindelantrieb. Dass der Linearmotor seinen Einzug in Bereiche wie Laseranwendungen, Elektronikfertigung speziell Bestückungsautomaten, Leiterplattenbohr- und prüfsysteme findet, wurde auf der Motek ’99 und Productronica ’99 deutlich gezeigt. Selbst die Holzbearbeitungsmaschinen und Handlingsysteme machen sich mehr und mehr die Vorteile des linearen Direktantriebs zunutze, motiviert durch die Reduzierung der Haupt- und Nebenzeiten und begünstigt durch den Preisverfall bei hochwertigen Magnetwerkstoffen für Linearmotoren.
Preiswerte und kompatible Lineargeber gefordert
Der berührungslos arbeitende inkrementelle Lineargeber LI der Hengstler GmbH aus Aldingen basiert auf dem Prinzip der variablen Reluktanz und ist für das enge Zusammenspiel mit Linearmotoren ausgelegt – dabei stehen Dynamikeigenschaften im Vordergrund: Die maximale Verfahrgeschwindigkeit des LI beträgt 1 200m/min. Berührungsloses Abtasten der Teilungsinformation des Maßbandes sorgt für wartungsfreien Betrieb und trägt damit der weitgehenden Verschleißfreiheit bei Linearmotoren Rechnung.
Bei der Auslegung des Antriebssystems lassen Auflösungen bis 0,25 µm genügend Spielraum nach dem Motto: so fein wie nötig, so grob wie möglich. Am Ausgang stehen die um 90° phasenversetzten inkrementellen Spuren A und B sowie das Nullsignal Z entweder als Rechtecksignale in RS 422 oder als Sinus-/Cosinus mit 1 Vss zur Verfügung. Referenzmarken zum Erzeugen von Nullsignalen sind im Maßband integriert und können beliebig angeordnet werden: eine einzelne, zwei symmetrische oder mehrere gleichmäßig über die Maßbandlänge verteilte Marken. Eine weitere Möglichkeit ist die Abstandscodierung: dabei sind die Marken in einem regelmäßigen Schema so angeordnet, dass alle Abstände zwischen benachbarten Marken unterschiedlich und eindeutig sind. Bereits nach dem Überfahren von zwei Marken kennt die Steuerung die absolute Position – Referenzfahrten können damit auf ein Minimum verkürzt werden. Anzahl, Lage oder Verteilung der Referenzmarken wird beim Bestellen festgelegt, so dass nach dem Einbau des Systems keine Zugänglichkeit mehr erforderlich ist. Damit ist der LI-Geber kompatibel zu den bisher eingesetzten Positioniersteuerungen, bietet jedoch mehr Flexibilität bei der Programmierung. Bei Betrachtung der Systemkosten spielt der Anteil des Messsystems eine nicht unerhebliche Rolle.
Das rationelle Herstellverfahren für die Teilung (Maßband) resultiert in einem besonders günstigen Preisverlauf des Messsystems bezogen auf die Länge und begünstigt damit den Einsatz auch an langen Achsen.
Messprinzip sichert Genauigkeit und Robustheit
Kompatibilität zur Anwendung bedeutet neben Auflösung und Dynamik auch Merkmale wie Genauigkeit, Linearität, Wiederholgenauigkeit sowie Robustheit gegen-über Einflüssen aus dem Einsatzbereich, insbesondere Verschmutzungen und Schockbelastungen. Diese Einzelforderung standen in der Vergangenheit oft im Widerspruch zueinander. Herkömmliche Lineale mit hohen Auflösungen und Genauigkeiten haben in offener Bauweise Probleme mit Stäuben und Schmierstoffen, während die robusteren Magnetsysteme Defizite im Echzeitverhalten und der Resistenz gegen Magnetfelder aufweisen.
Die Innenlage des mehrschichtigen Metallbandes enthält die geätzte Teilungsinformation, dessen Genauigkeit von 10 µm (20 µm/m über einen fotolithografischen Herstellprozess sichergestellt wird. In Verbindung mit dem Messprinzip der variablen Reluktanz ergibt sich eine Wiederholgenauigkeit und damit Positioniergenauigkeit von einem Inkrement, entsprechend kleiner 1 µm (bei höchster Auflösung). Von Linearmotoren ausgehende magnetische Streufelder beinträchtigen nicht die Messgenauigkeit. Das System verkraftet Schockbelastungen von 2000 m/s2. Schmutz, Fett, Wasser und organische Stäube haben keinen Einfluss auf das Messergebnis, wodurch sich der LI-Geber besonders für Holzverarbeitung, Textilien, Verpackung und Pressen eignet.
Hohe Regelgüte durch Echtzeit und Linearität
Durch die Steifigkeit von Direktantrieben wird eine hohe Regelgüte als wichtige Voraussetzung für präzise Konturbewegungen erreicht. Die Signale A und B des Lesekopfes folgen jeder Änderung in Echtzeit. Die hohe Linearität innerhalb der Teilung des LI ermöglicht Geschwindigkeitsregelungen mit hohen Verstärkungsfaktoren.
Das LI-System
Beliebige Maßbandlängen von 40 bis 30 000 mm sind möglich. Das System gibt es in drei verschiedenen Montageausführungen, um auch schwierige Ein- oder Anbausituationen zu meistern: als selbstklebendes Maßband, vormontiert auf Aluprofilträger oder geführt und rollengelagert.
– Selbstklebendes Maßband: Auf glatten, ebenen Oberflächen (Rauhtiefe 3,2) wird eine beständige, sehr feste Verbindung zum Untergrund hergestellt. Abziehen, Ausrichten, Andrücken, Fertig
– Maßband auf Alu-Profil: Es eignet sich für ebene, aber nicht ganz glatte oder unterbrochene Oberflächen. Das im 100-mm-Raster vorgebohrte Aluprofil mit werkseitig aufgebrachtem Maßband überbrückt Lücken und wird einfach aufgeschraubt. Die Profillänge kann bis 1,50 m betragen
– Geführtes System, rollengelagert: Es eignet sich besonders, wenn über die Messstrecke größere Abstandsänderungen zwischen Lesekopf und Maßband auftreten, wie bei Pressen oder flexibel aufgehängten Zuführkäfigen. Der Lesekopf wird mit dem im Lieferumfang enthaltenen Federblech montiert, für die Bandbefestigung stehen Montageelemente zur Verfügung. Für kurze Bandlängen bis 50 cm reicht die Befestigung an einem Bandende.
Ausführliche Informationen
Lineargeber LI
KEM 445
Unternehmen Hengstler
KEM 446
Internet
Anwendungsbeispiel
Auf einer Sonderfräsmaschine werden derzeit mit einem LI-Q10 (10 µm Auflösung, RS422) an einer 9 m langen Achse 16 m/s problemlos gefahren. In der Ausführung mit Sinus-/Cosinus liefert der Lesekopf LI-S1V pro Millimeter Verfahrweg eine Sinus- und Cosinusschwingung mit sehr guter Güte, die sich durch moderne Steuerungen oder externe Interpolatoren bis 1000-fach interpolieren lässt, was einer Auflösung von 0,25 µm entspricht (4-fach-Auswertung). Dennoch beträgt die Grundfrequenz bei 20m/s nur 20 kHz.
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