Technische Information

Messgeräte für Linearmotoren in der ElektronikindustrieIn der Elektronikindustrie und Automatisierungstechnik werden immer präzisere und schnellere Maschinen gefordert, um den steigenden
Anforderungen bezüglich Miniaturisierung, Qualität und Herstellkosten genügen zu können. An diesen hochdynamischen Anwendungen,die mit einer oder mehreren Vorschubachsen ausgestattet sind, setzen sich zunehmend Linearmotoren durch. Für diese Direktantriebstechnik sprechen geringer Verschleiß, niedriger Wartungsaufwand und eine höhere Produktivität.
Die Produktivität lässt sich jedoch nur dann steigern, wenn Steuerung, Motor, Maschinenstruktur und Positionsmessgerät optimal aufeinander abgestimmt sind. Direktantriebe stellen hohe Anforderungen an die Güte der Messsignale. Optimale Messsignale• reduzieren Vibrationen im Maschinengestell,• verhindern Lärmbelastung durch geschwindigkeitsabhängige Motorgeräusche,• vermeiden zusätzliche Wärmeentwicklung und• erlauben daher die maximale mechanische Nennleistung des Motors.
Die Leistungsfähigkeit eines Linearmotors wird also entscheidend durch die Wahl des Positionsmessgeräts beeinflusst. Messgeräte mit
optischem Abtastverfahren zeigen Vorteile bei Genauigkeit, Laufruhe und Erwärmungsverhalten eines Direktantriebs. HEIDENHAIN liefert
ein breites Programm von Längenmessgeräten, die sich aufgrund ihrer technischen Eigenschaften speziell für Linearmotoren in der Elektroindustrie eignen.

Aufbau von Direktantrieben
Entscheidender Vorteil der Direktantriebstechnik ist die sehr steife Ankopplung an
die Vorschubmechanik ohne weitere mechanische Übertragungselemente. Dadurchwerden deutlich höhere Regelkreisverstärkungen als bei konventionellen Antrieben
möglich.
Geschwindigkeitserfassung anDirektantrieben
Bei Direktantrieben ist kein zusätzlicher
Drehgeber zur Geschwindigkeitsbestimmung vorhanden. Lage und Geschwindigkeit werden über das Positionsmessgerät– Längenmessgerät bei Linearmotor, Winkelmessgerät bei rotatorischem Antrieb –bestimmt. Da die mechanische Übersetzung zwischen Drehzahlmessgerät undVorschubeinheit fehlt, muss das Positionsmessgerät über eine entsprechend hohe
Auflösung verfügen, um auch bei langsamen Verfahrgeschwindigkeiten eine exakteGeschwindigkeitsregelung zu ermöglichen.
Die Geschwindigkeit wird aus dem pro
Zeiteinheit zurückgelegtem Weg ermittelt.

Februar 2006

Dieses Verfahren – es wird gleichermaßen
bei konventionellen Achsen angewandt –stellt eine numerische Differentation dar,die periodische Störungen oder Rauschen
des Signals verstärkt.

Besonders bei Direktantrieben steigt durch
die deutlich höhere Regelkreisverstärkung
der Einfluß der Signalqualität auf das Antriebsverhalten.

Messgeräte für Linearmotoren in der Elektronikindustrie
Anforderungen und Auswirkungen

Ein Vergleich der Wirkungen von Längenmessgeräten mit niedrigen und hohen Interpolationsabweichungen auf einenLinearmotor unterstreicht die Bedeutung
hochwertiger Positionssignale. Das verwendete Längenmessgerät vom Typ LIDA
verursacht kaum wahrnehmbare Störungen
im Motorstrom: der Motor zeigt ein ruhiges
Betriebsverhalten und entwickelt wenig
Wärme.
Werden bei gleichem Messgerät die Interpolationsabweichungen durch Dejustage
vergrößert, entstehen bei gleicher Reglereinstellung erhebliche Störungen im Motorstrom. Eine starke Geräuschentwicklung
und zusätzliche Erwärmung im Motor sinddie Folge.
Dynamisches Verhalten
Bei Direktantrieben werden häufig digitale
Filter zur Glättung der Positionssignale eingesetzt. Der Phasenverlust durch Filterung
im Drehzahlregelkreis sollte jedoch grundsätzlich auf ein Minimum reduziert werden,
da andernfalls mit Abstrichen in der dynamischen Genauigkeit gerechnet werden
muss.
Lagemessgeräte mit optimaler Signalgüte
helfen den Einsatz von Filtern zu reduzieren– die Regelbandbreite bleibt erhalten.

Positionsabweichung u innerhalb einer
Signalperiode

Signalpegel

Signalperiode
360 °el.

6Motorstrom [A]Auswirkungen des Interpolationsfehlers
Wärme- und Geräuschentwicklung
Mit zunehmender Frequenz des Interpolationsfehlers kann der Vorschubantrieb dem
Fehlerverlauf nicht mehr folgen. Jedoch bewirken die durch Interpolationsabweichungen erzeugten Stromkomponenten erhöhte Motorgeräusche und eine zusätzliche
Erwärmung des Motors.

PositionsabweichungSignalqualität der Positionsmessgeräte
Moderne Messgeräte verfügen über eine
inkrementale – also zählende – oder absolute Positionserfassung. Die Weginformation wird im Messgerät in zwei Sinussignale
mit 90° Phasenversatz umgewandelt. Bei
beiden Verfahren ist es notwendig, diesinusförmigen Abtastsignale zu interpolieren, um die erforderliche hohe Auflösung
zu erreichen. Durch unzureichende Abtastung, durch Verschmutzung der Maßverkörperung sowie durch Mängel in der Signalaufbereitung können die Signale von deridealen Sinusform abweichen. Bei der Interpolation entsteht eine periodische Positionsabweichung innerhalb einer Signalperiode der Ausgangssignale des Messgeräts.
Sie wird als Positionsabweichung innerhalb
einer Signalperiode oder auch als Interpolationsabweichung bezeichnet. Bei hochwertigen Messgeräten beträgt sie typischerweise 1 bis 2 % der Signalperiode.

30
3A
B

6
0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

1.6

1.8

Zeit [s]Motorstrom eines Direktantriebs bei Positionsmessgerät
A: mit niedrigen Interpolationsabweichungen
B: mit hohen InterpolationsabweichungenAB

Erwärmungsverhalten eines Linearmotors, Regelung auf Messgerät
A: mit niedrigen Interpolationsabweichungen
B: mit hohen Interpolationsabweichungen2.0Lagemessgeräte für Direktantriebe
Für einen optimalen Betrieb von Direktantrieben in der Elektronikindustrie sind also
Längenmessgeräte notwendig, die ein
qualitativ hochwertiges Positionssignal mit
kleinen Interpolationsabweichungen erzeugen. Besonders eignen sich Messgeräte
mit photoelektrischem Abtastprinzip, da
mit dieser Methode sehr feine Teilungenabgetastet werden können.
Messgeräte mit optischer Abtastung tragen somit entscheidend dazu bei, das Potenzial von Direktantrieben auszunutzen.
Exakte Teilungen
HEIDENHAIN-Messgeräte mit optischer
Abtastung benutzen Maßverkörperungenaus regelmäßigen Strukturen – sogenannte
Teilungen. Als Trägermaterial dienen Glasoder Stahlsubstrate oder – für große Messlängen – Stahlbänder. Die feinen Teilungen– typisch sind Teilungsperioden von 40 µm
bis unter 1 µm – werden durch photolithografische Verfahren hergestellt. Sie zeichnen sich durch hohe Kantenschärfe undHomogenität aus – eine grundlegende
Voraussetzung für kleine Interpolationsabweichungen und damit für ein ruhiges
Betriebsverhalten und hohe Regelkreisverstärkungen.
Widerstandsfähige Maßverkörperungen
Bei offenen Längenmessgeräten ist die
Maßverkörperung naturgemäß einer erhöhten Belastung ausgesetzt. Deshalb verwendet HEIDENHAIN generell robuste
Teilungen, die in speziellen Verfahren hergestellt werden.
Beim DIADUR-Verfahren werden Strukturen aus Hartchrom auf einen Glas- oder
Stahlträger aufgebracht. Das AURODURVerfahren beschreibt Stahlmaßbänder mit
Hartgold-Teilung.
Beim SUPRADUR-Verfahren befindet sichüber der reflektierenden Grundschicht zuerst eine transparente Schicht. Darauf wird
zur Erzeugung eines Gitters eine extrem
dünne Hartchrom-Schicht aufgebracht.
Maßstäbe mit SUPRADUR-Teilung erweisen sich als besonders unempfindlichgegen Verschmutzungen, da die geringen
Strukturhöhen praktisch keine Angriffsflächen für Staub-, Schmutz- oder Feuchtigkeitspartikel bieten.
HEIDENHAIN-Fertigungstechnologien
sichern somit eine dauerhaft hohe Signalgüte, die den besonders anspruchsvollen
Applikationen mit Direktantrieben zu Gutekommt.

DIADUR-Phasengitter-Teilung mit ca. 0,25 µm Gitterhöhe

Reflektierende
Schicht
Transparente
Schicht
Reflektierende
Grundschicht

Substrat

SUPRADUR-Verfahren: Optisch dreidimensionale Teilung mit
planarer Stuktur

Optimiertes Abtastverfahren
Neben der hohen Qualität der Gitterteilung
ist das Abtastverfahren mit verantwortlich
für kleine Interpolationsabweichungen. Besonders vorteilhaft ist die Einfeld-Abtastung,mit der die offenen Längenmessgeräte von
HEIDENHAIN arbeiten: Die Ausgangssignale werden dabei aus nur einem Abtastfeld
erzeugt. Dieses große Abtastfeld und diespezielle optische Filterung durch die Struktur von Abtastplatte und Photosensor erzeugen Ausgangssignale mit konstanter Signalqualität über den gesamten Verfahrweg.
Dies ist die Voraussetzung:• für geringes Signalrauschen• kleine Interpolationsabweichungen• hohe Verfahrgeschwindigkeiten• gute Regelgüte bei Direktantrieben• geringe Erwärmung des Antriebs
Signalgewinnung an Beispiel des abbildenden Messprinzips (LIDA 400)
Das abbildende Messprinzip arbeitet – vereinfacht beschrieben – mit schattenoptischer Signalerzeugung: Zwei Strichgitter
mit beispielsweise gleicher Teilungsperiode– Maßstab und Abtastplatte – werden zueinander bewegt. Das Trägermaterial derAbtastplatte ist lichtdurchlässig, die Teilung
der Maßverkörperung kann ebenfalls auf
lichtdurchlässigem oder auf reflektierendem Material aufgebracht sein.
Fällt paralleles Licht durch eine Gitterstruktur, werden in einem bestimmten AbstandHell/ Dunkel-Felder abgebildet. Hier befindet sich ein Gegengitter mit der gleichen
Teilungsperiode. Bei einer Relativbewegung der beiden Gitter zueinander wird das
durchfallende Licht moduliert: stehen dieLücken übereinander, fällt Licht durch, befinden sich die Striche über den Lücken,
herrscht Schatten. Photoelemente wandeln
diese Lichtänderungen in elektrische Signale um. Die speziell strukturierte Teilung derAbtastplatte filtert dabei den Lichtstrom so,dass annähernd sinusförmige Ausgangssignale entstehen.
In der XY-Darstellung am Oszilloskop ergeben die Signale eine Lissajous-Figur. Bei
idealen Ausgangssignalen entsteht ein
Kreis in mittiger Position. Abweichungen inKreisform und Lage verursachen Positionsabweichungen innerhalb einer Signalperiode und gehen somit direkt in das Messergebnis ein. Die Größe des Kreises – er
entspricht der Amplitude der Ausgangssignale – darf innerhalb bestimmter Grenzen
variieren, ohne die Messgenauigkeit zu beeinflussen.
Abweichungen von der Kreisform bewirken
bei Direktantrieben Lärmentwicklung,schlechte Regelgüte und zusätzliche Erwärmung.

MaßstabStrukturierter
Detektor

Fenster

Abtastplatte
Kondensor
Abtastgitter

Lichtquelle LED

Photoelektrische Abtastung nach dem abbildenden Messprinzip mit Stahlmaßband undEínfeld-Abtastung (LIDA 400)

Signalperiode
360° el.

90°

Phasenversatz

Geringe Verschmutzungsempfindlichkeit
Fertigungseinrichtungen und Handhabungsgeräte für die Elektronikindustrie erfordern hohes Beschleunigungsvermögenund kompakte Bauformen. Deshalb kommen dafür in der Regel nur offene Messgeräte in Frage, da sie reibungsfrei arbeiten
und aufgrund der fehlenden Kapselung extrem klein und damit massearm aufgebaut
werden können. Um auch ohne Kapselungdes Messsystems eine Robustheit gegen
Verschmutzung zu sichern, kommen besondere Abtastverfahren und Fertigungstechnologien zum Einsatz.

Praxisgerechte Anbautoleranzen
Mit sehr kleinen Signalperioden sind normalerweise sehr enge Abstandstoleranzen
zwischen Abtastkopf und Maßband verbunden. Das interferentielle Abtastprinzip
des LIF 400 sowie neuartige Abtastgitter,wie z. B. im LIDA 400, ermöglichen praxisgerechte Anbautoleranzen trotz kleiner Signalperioden. Die Signalamplitude verändert sich innerhalb der Montagetoleranzen
nur unwesentlich.
Dieses Verhalten ist für die hohe Zuverlässigkeit der offenen Längenmessgeräte von
HEIDENHAIN maßgeblich verantwortlich.

ÖlWasserToner

Staub

Fingerabdruck

Positionsabweichung [µm]

210
10.2

0.402

0.204060

80

100120

140

160

180

Position [mm]Verschmutzungsverhalten des LIF 400

120%
Signalgröße [%]Die offenen Längenmessgeräte von
HEIDENHAIN arbeiten mit einer EinfeldAbtastung. Dabei wird nur ein Abtastfeld
zur Erzeugung der Abtastsignale verwendet. Lokale Verschmutzungen auf der Maßverkörperung (z.B. Fingerabdrücke während
der Montage oder Ölablagerungen aus Führungen u.a.) beeinflussen die Lichtintensität
der Signalkomponenten und somit die Abtastsignale gleichermaßen. Die Ausgangssignale ändern sich dadurch zwar in ihrer
Amplitude, jedoch nicht in Offset und Phasenlage. Sie sind nach wie vor hoch interpolierbar, die Interpolationsabweichungenbleiben gering.
Das große Abtastfeld reduziert die Verschmutzungsempfindlichkeit zusätzlich. Je
nach Verunreinigung kann auch ein Ausfall
des Messgeräts vermieden werden. Besonders deutlich zeigt sich dies bei LIDA 400und LIF 400 mit einer im Vergleich zur Teilungsperiode sehr großen Abtastfläche von14,5 mm2. Selbst bei Verunreinigungen mit
3 mm Durchmesser liefern die Geräte hochwertige Messsignale. Die Positionsabweichungen bleiben weit unter den als Genauigkeitsklasse des Maßstabs spezifizierten
Werten.
Wesentliche Voraussetzungen für optische
Messgeräte mit geringer Verschmutzungsempfindlichkeit sind demnach ein optimiertes Abtastverfahren, das große Abtastfeld
sowie die verschmutzungsunempfindliche
Teilung.

100%
80%
60%
Anbautoleranz
LIF 400

40%
20%
0%
0.8

0.9

1

1.1Arbeitsabstand [mm]1.2Lagemessgeräte für Linearmotoren

Die offenen Längenmessgeräte von
HEIDENHAIN sind optimiert für den Einsatz an präzisen und schnellen Maschinen,
wie sie in der Elektronik-Industrie und Automatisierungstechnik gefordert sind. Trotz
der offenen Bauform weisen sie eine geringe Verschmutzungsempfindlichkeit auf, gewährleisten hohe Langzeitstabilität undsind schnell und einfach zu montieren.
Für Linearmotoren eignen sich – aufgrund
der geringen Masse und der kompakten
Bauform – die Messgeräte der Baureihen
LIF 1, LIP 2 und LIDA 3 besonders.

Anwendung

Signalperiode

für höchste Genauigkeit 0,128 µm

2 µm

4 µm

max. Interpo- Schnittstellelationsfehler• 0,001 µm• 0,02 µm• 0,04 µm• für einfache Montage 4 µm
• mit Limit-Schalter undHoming-Spur• 0,04 µm• für hohe Verfahrgeschwindigkeit• Limit-Schalter• 0,2 µm

20 µm

Typ

« TTL

LIP 372» 1 VSSLIP 382« TTL

LIP 471» 1 VSSLIP 481« TTL

LIP 571» 1 VSSLIP 581« TTL

LIF 471» 1 VSSLIF 481« TTL

LIDA 47x» 1 VSSLIDA 48x

HEIDENHAIN-Lagemessgeräte für Direktantriebe (Auswahl): Maximalwerte
der Interpolationsfehler in Abhängigkeit von der Signalperiode

123DR. JOHANNES HEIDENHAIN GmbH
Dr.-Johannes-Heidenhain-Straße 583301 Traunreut, Germany{ +49 (86 69) 31-0
| +49 (86 69) 50 61
E-Mail: info@heidenhain.dewww.heidenhain.de528 683-11 · 10 · 2/2006 · F&W · Printed in Germany · Änderungen vorbehalten

Weitere Informationen:• Prospekt Offene Längenmessgeräte• Technische Information
Einfeld-Abtastung