Auswahl der richtigen Bühnenbetätigung für Dynamik

Dec 16, 2023

By Lisa Eitel | November 26, 2018

Wenn Messungen an einzelnen Produkten im laufenden Betrieb durchgeführt werden, ist es wichtig, dass das Bewegungssystem Fehler minimiert und den Rest korrigiert.

Brian Handerhan | Business Development Manager • BiowissenschaftenPatrick Lehr | Produktmanager • PräzisionsmechanikElektromechanik & Antriebsabteilung • Parker Hannifin Corp.

Unter dynamischer Messtechnik versteht man die Erfassung von Daten über Objekte, die sich auf beweglichen Maschinenachsen bewegen. Dies kommt immer häufiger bei laserbasierten Inspektionen und Spektrometrie vor, vor allem in der Halbleiter- und Elektronikfertigung, wo bei verschiedenen Prozessen das Linienscannen einzelner Produkte zum Einsatz kommt. Auch biowissenschaftliche Anwendungen wie Zellanalysen oder DNA- und Gensequenzierung, die einen hohen Datenerfassungsdurchsatz erfordern, nutzen dynamische Messtechnik. Eine weitere Anwendung ist das Präzisionslaserschneiden.

Da die das Produkt tragenden Tische während der Messungen in Bewegung sind, müssen sie minimale lineare Fehler, Abbe-Fehler und planare Fehler aufweisen. Die Ursachen für diese Fehler sind zahlreich – und umfassen Inkonsistenzen bei der linearen Schlitten- und Baugruppenbearbeitung, Lagerinkonsistenzen, Reibung, Durchbiegung, thermische Schwankungen, inkonsistente Rückmeldungen und mechanisches Aufziehen.

Weitere Einzelheiten zu allen drei Fehlertypen finden Sie unter blog.parker.com Eintrag und Suche nach dynamischer Messtechnik. Fehler auf ein Minimum zu beschränken bedeutet, ihre Ursachen zu minimieren – einschließlich Bearbeitungs- und Lagerinkonsistenzen, Reibung, Durchbiegung, thermische Schwankungen, inkonsistente Rückmeldungen und mechanisches Aufziehen.

Bei linearen Positionierungsgeräten quantifiziert die Industrie diesen Fehler auf acht verschiedene Arten. Abbe-Fehler treten in Nick-, Gier- und Rollrichtung auf; Sie tragen wesentlich zur Genauigkeit und Wiederholbarkeit bei und werden mit Winkelmaßen quantifiziert. Lineare Fehler in X-, Y- oder Z-Richtung stehen in direktem Zusammenhang mit der Genauigkeit und Wiederholbarkeit und werden mit linearen Maßen quantifiziert. Im Gegensatz dazu treten Planarfehler in X-, Y- oder Z-Richtung auf und wirken sich in einem Mehrachsensystem direkt auf die benachbarte Achse aus. Diese werden ebenfalls mit linearen Maßen quantifiziert.

Ein besonderer Hinweis: Die Genauigkeit wird beeinträchtigt, wenn der Messpunkt weiter von der Bühne entfernt ist … und der Gesamtfehler ist höher, wenn der Messpunkt weiter von der Bühne entfernt ist. Bei solchen Anwendungen – bei denen der interessierende Punkt in einiger Entfernung von Nick-, Gier- oder Rollpunkten liegt – ist die Minimierung des Abbe-Fehlers von größter Bedeutung. Konstrukteure müssen eine solche Vergrößerung solcher Fehler berücksichtigen, wenn sie Lineartische für dynamische Messanwendungen spezifizieren.

Betrachten Sie zwei Vorgänge, die einen Messpunkt in einiger Entfernung vom Lineartisch umfassen. Der Gesamtfehler ist höher, wenn der Messpunkt weiter vom Objekttisch entfernt ist.

Für die dynamische Messtechnik ist außerdem eine strenge Kontrolle der Geschwindigkeit des Bewegungstisches erforderlich. Fehler in Form unerwarteter Beschleunigung und Verzögerung (als Geschwindigkeitswelligkeit) machen die genaue und konsistente Erfassung von Ergebnissen in dynamischen Messaufbauten unmöglich. Insbesondere Scananwendungen benötigen eine gute Geschwindigkeitskontrolle, andernfalls besteht die Gefahr einer schlechten Datenerfassung (im Verhältnis zur erwarteten Position) und unscharfen Ergebnissen.

Die Geschwindigkeitsregelung ist für dynamische Messanwendungen von entscheidender Bedeutung, da diese für genaue und konsistente Messungen auf eine gleichmäßige Geschwindigkeit angewiesen sind.

Ursachen für Geschwindigkeitsschwankungen sind Abweichungen im mechanischen Antriebsstrang; Variationen der Leitspindel- oder Riemenscheibensteigung; und die Reibung ändert sich über den Verfahrweg. Zu weiteren Faktoren, die Geschwindigkeitsschwankungen verursachen können, gehören Genauigkeitsfehler im Rückkopplungsgerät, eine Stromregelungsbegrenzung im Motorantrieb; eine PWM-Frequenz anstelle eines linearen Verstärkers; und suboptimale Servoalgorithmen und Steuerungsaktualisierungsrate.

Es gibt mehrere Möglichkeiten, Drehmomentschwankungen an den Tischachsen zu minimieren: Installieren Sie ein hochauflösendes lineares Feedback-Gerät am Aktuator. Installieren Sie am Achsmotor einen Encoder mit sehr geringem Unterteilungsfehler (SDE). oder einen Antriebsregler mit hoher Servoaktualisierungsrate einsetzen.

Um die Geschwindigkeit während dynamischer Messprozesse stabil zu halten, gibt es verschiedene Möglichkeiten. Eine Möglichkeit besteht darin, Linearmotoraktuatoren für einen schnell reagierenden Antrieb und Geschwindigkeitskorrekturen ohne Probleme mit der Antriebsstrangneigung oder Reibung zu verwenden. Eine andere Möglichkeit besteht darin, einen SDE-Encoder (Sub Divisional Error) mit sehr geringem Subdivisionsfehler zu installieren, bei dem Positionsfehler zwischen den harten Zählungen des Encoders auftreten. Andernfalls ist möglicherweise eine lineare Rückmeldung am Aktuator angebracht. Eine weitere hilfreiche Technologie für die dynamische Messtechnik ist ein Antriebsregler mit einer hohen Servoaktualisierungsrate, der schnelle Geschwindigkeitsmessungen und -korrekturen ermöglicht.



Die meisten Antriebe für Hochgeschwindigkeitsanwendungen der dynamischen Messtechnik erfolgen über Tische, die mit Linearmotoren angetrieben werden – insbesondere mit eisenlosen Linearmotoren. Da die Linearmotoren in solchen Tischen direkt mit der Last gekoppelt sind, werden Spiel, Effizienzverluste und Positionsungenauigkeiten von Anordnungen mit Riemen- und Kugelumlaufspindelantrieb minimiert oder sogar vollständig eliminiert.

Darüber hinaus sind Linearmotoren typischerweise kompakter als andere Antriebsstränge. Das ermöglicht kleinere Maschinen mit höherer Steifigkeit – für geringere Positionsfehler und eine leichte Konstruktion, die für hohe Geschwindigkeiten geeignet ist.

Aktuatoren mit Linearmotoren haben auch die genaueste Kontrolle über hohe Geschwindigkeiten … und erfordern in manchen Fällen sogar die Berücksichtigung von Encoder-Unterteilungsfehlern und Servo-Positionsregelkreisen. Wenn diese Probleme angegangen und optimiert werden, können Linearmotoren Geschwindigkeitsschwankungen vermeiden und eine schnelle Betätigung ermöglichen. Zu angemessenen kommerziellen Kosten können Ingenieure Systeme optimieren, um bei aggressiven Geschwindigkeiten der dynamischen Messtechnik Folgefehler von bis zu 200 nm zu erreichen. Um jedoch Geschwindigkeitsschwankungen zu minimieren, muss der Ingenieur die Geschwindigkeit und Abtastrate der Anwendung kennen, bevor er die Encoderauflösung und die Servo-Abtastrate festlegen kann.

Stellen Sie sich eine Anwendung vor, für die ein Entwicklungsteam im Halbleitermarkt ein Laserlinienscanning durchführt. Gehen Sie davon aus, dass der Prozess von Ebenheit und Geradheit abhängt – mit Fehlern, die über einen Verfahrbereich von 300 x 300 mm nicht mehr als ±4 µm betragen. Hier können monolithische Tische mit breiter Basis in XY-Systemen einiger Hersteller eine hohe Steifigkeit bei minimalen Ebenheits- und Geradheitsfehlern aufrechterhalten.

Hier wird der Fehler von zwei Stufenachsen aufgetragen. Die Zielgenauigkeit der unteren Achse beträgt ±4 µm; Die tatsächliche Genauigkeit ist weitaus besser – bei ±1,2 µm. Die Zielgenauigkeit der oberen Achse beträgt ±4 µm; Die tatsächliche Genauigkeit ist weitaus besser – bei ±0,8 µm.

Betrachten Sie eine andere Zeilenscananwendung und gehen Sie von einer Scanfrequenz von 100 Hz aus. Gehen Sie außerdem davon aus, dass die Geschwindigkeitswelligkeit bei Hubgeschwindigkeiten von 10 mm/s unter ±2 % liegen muss. Das bedeutet, dass der Positionsfehler innerhalb von ±0,2 mm/s/100 Hz bleiben muss – oder 0,002 mm pro 0,01 s. Hier benötigt der Tischaktuator also einen Encoder mit einer Auflösung, die den zulässigen Positionsfehler überschreitet … mindestens einen 2-µm-Encoder. Außerdem muss die Servoaktualisierungsrate mindestens das Zehnfache der erforderlichen Korrekturrate betragen (0,01 Sekunden mal 10 = 1 ms Aktualisierungsrate). Hier können nur Tische mit Präzisions-Encodern und bestimmten Servoantriebs- und Controller-Kombinationen die Geschwindigkeit innerhalb der Anforderungen halten.

Tatsächlich können nur durch Linearmotoren angetriebene Tische die kritischen Spezifikationen der dynamischen Messtechnik erfüllen. Suchen Sie nach Lieferanten dieser Systeme, die Laser-Interferometer-Testberichte liefern, um die Fähigkeit jeder Stufe zu bestätigen, andere Antriebsmechanismen zu übertreffen und eine Leistung auf messtechnischem Niveau zu liefern.

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