Kalibrierbares, hochgenaues Winkelmesssystem mit Mehrkopfabtastung Kluges Köpfchen - KEM

Kalibrierbares, hochgenaues Winkelmesssystem mit Mehrkopfabtastung

Kluges Köpfchen

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Ein Winkelmesssystem mit Kalibrierfunktion eröffnet Konstrukteuren neue Wege, hochgenaue Rundachskonstruktionen zu verwirklichen. Der messtechnische Einfluss der Exzentrizität wird eliminiert und gegenüber einer Einkopfabtastung erhöht sich die absolute Genauigkeit um Faktor 4. Anwender erzielen deutliche Genauigkeitssteigerungen für fertig aufgebaute Rundachsen auf unter zwei Winkelsekunden. Die Kompensation der Achse an der Steuerung kann gänzlich entfallen.

Beim Aufbau einer präzisen Rundachse wird erfahrungsgemäß ein hoher Aufwand getrieben. Der Lagersitz, die Aufnahme für das Messsystem oder erforderliche Kupplungselemente werden sorgfältig gefertigt und zusammengebaut. Dennoch addieren sich systematische Messfehler. Die bekannte Problematik gekapselter, eingelagerter Winkelmesssysteme kann kurz wie folgt zusammengefasst werden: Die elastische Kupplung zwischen Motor und Winkelmesssystemachse lässt einigermaßen große Montagetoleranzen zu, verursacht aber Genauigkeitsverluste proportional zu diesen Abweichungen. Die Kupplung verursacht Umkehrfehler (Hysterese) und als elastisches Glied im Antriebsstrang begrenzt sie die Steifigkeit der Achse und die erreichbare Verstärkung der Lage- und Geschwindigkeitsregelung. Gekapselte Winkelmesssysteme bieten, bedingt durch den kleineren Innendurchmesser, nur begrenzt die Möglichkeit von Hohlwellenkonfigurationen, die für direkt angetriebene Achsen unumgänglich sind.

Auch wenn das Winkelmesssystem an sich eine hohe Genauigkeit von einigen Winkelsekunden aufweist, ist das Gesamtergebnis stark von der Montage und dem Rundlauf der Achse abhängig. Nur durch eine aufwändige Laserkalibrierung der Achse und Verwendung von Kompensationstabellen an der Antriebssteuerung können diese Abweichungen zum Teil unterdrückt werden.
Die von AMO entwickelten Winkelmesssysteme, die auf einer in anspruchsvollen metrologischen Einrichtungen verwendeten Mehr-fach-Abtastmethode basieren, ver- meiden all diese Nachteile und machen eine Systemkalibrierung überflüssig. Der Grund: In dieser Messanordnung ist die angegebene Winkelmesssystemgenauigkeit gleich zu setzen mit der gesamt erreichbaren Achsgenauigkeit. Als ideale Anbindung bietet sich die steife und spielfreie direkte Montage eines Messflansches zentrisch zur Drehachse an. AMOs Standard-Winkelmesssysteme verfügen sowohl über eine solche Zentrierung als auch über eine Presspassung zur bestmöglichen zentrischen Montage, dennoch unterliegen die Systeme dem Einfluss der Exzentrizität bedingt durch Fertigungstoleranzen, einem endlichen Lagerrundlauf sowie durch den eigentlichen Zusammenbau.
Bei genauerer Betrachtung möglicher Fehlerquellen in einer Rundachsmessanordnung stößt man auf systematische und zufällige Fehler. Zu den systematischen, wiederholbaren Fehlern pro Umdrehung zählen die Exzentrizität von Messflansch zu Drehachse, die Teilungsfehler des Messflansches als Abweichung von einer idealen Teilung und die Rundlauffehler der Lagerung. Zufällige Fehler sind Lagerspiel und lastabhängige Verformung.
Das Winkelmesssystem CHS
Ein hochgenaues Winkelmesssystem mit Mehrkopfabtastung bietet eine deutlich erhöhte Systemgenauigkeit gegenüber einer Einkopflösung. Das anwenderfreundliche CHS-Winkelmesssystem arbeitet in der Praxis mit der Genauigkeit eines Mehrkopf-Systems, jedoch wird im Betrieb nur ein Messkopf benötigt und nur zum Zeitpunkt der einmaligen Kalibrierung bei der Inbetriebnahme der Achse wird ein Kalibrierkopf temporär angeschlossen. Das CHS besteht aus einem Messflansch, einem Messkopf, der Signalelektronik und dem nur für die Kalibrierung notwendigen Kalibrierkopf.
Bei der Inbetriebnahme wird der Abtastkopf annähernd zu dem Messflansch in seiner endgültigen Position montiert. Für die Kalibrierung wird der Kalibrierkopf um rund 180° beziehungsweise 90° und 270° versetzt zum Messkopf temporär montiert. Bei einer folgenden Drehbewegung wird bei Erkennung der Referenzmarke durch den Messkopf der Kalibriervorgang gestartet. Nach einer Umdrehung ist die Datenerfassung abgeschlossen und die Abweichungen zwischen Mess- und Kalibrierkopf ermittelt und gespeichert. Während des typischen Betriebs ist lediglich ein Messkopf angebaut, der in Abhängigkeit der bei der Kalibrierung aufgenommenen Daten korrigierte und hochgenaue Positionswerte in Echtzeit liefert.
Metrologische Betrachtung
Um die Genauigkeitsverbesserung darzustellen, sind nachfolgend auf Basis eines Standardmessflansches einige Messergebnisse gegenüber gestellt. Der Standardflansch WMF-101-1024 hat auf einem Durchmesser von rund 326 mm eine Teilungsgenauigkeit von ±5 µm Bogenlänge. Dieser Teilungsfehler, ausgedrückt in Winkelsekunden (“), entspricht rund ±6“ für eine Einkopflösung unter idealen Montagebedingungen, das heißt keine Exzentrizität. Die deutliche sinusförmige Abweichung über 360° zeigt die typische Auswirkung, die auch rechentechnisch bestätigt werden kann. Bei 326 mm Durchmesser und einer gewollt eingestellten Exzentrizität von 10 µm liegt die Messabweichung bei rechnerisch rund ±12,6“ und somit um Faktor 2 höher als die eigentliche Teilungsgenauigkeit des Messflansches, die dem Kurvenverlauf überlagert ist.
Die Verwendung des CHS-Winkelmesssystems und des identischen Messflansches mit unveränderter Exzentrizität von 10 µm ergibt einen Genauigkeitsverlauf, auf den die Exzentrizität keinen Einfluss mehr hat, die lokalen Messabweichungen wurden um Faktor 4 minimiert. Bis zu einer Exzentrizität von 0,1 mm liefert das Winkelmesssystem praktisch identische Resultate.
Bei der Auswahl größerer Messdurchmesser steigt die Genauigkeit proportional. Dadurch wird bei größeren Durchmessern eine weitere Steigerung der absoluten Genauigkeit erzielt. Hersteller von großen Rundachsen und Bearbeitungstischen entdecken nun die Möglichkeiten, das Winkelmesssystem auf möglichst großen Durchmessern zu integrieren. Statt im Zentrum den zur Verfügung stehenden Bauraum durch einen angebauten Geber einzuengen, bieten sich die größeren Montage-Durchmesser an. Auch messtechnisch werden durch den großen Durchmesser höchste Auflösungen erreicht und es wird genau an der Stelle gemessen, an der es bei der Bearbeitung genauer Teile ankommt: am größtmöglichen Umfang. Der prinzipielle Aufbau der Systeme ist unabhängig von der Baugröße. Daher wird für einen besonders großen Messdurchmesser lediglich mehr Maßband benötigt, und ein großes Winkelmesssystem fällt im Verhältnis zur Baugröße preislich moderat aus.
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