Glossar Positioniersysteme

Teil I - Grundsätzliches 

Abbefehler 

ist eine durch einen Hebelarm verursachte Vergrößerung der Linearabweichung von der Verstellachse aufgrund von Verkippung oder Taumel der Führungsachse. Dieser Fehler tritt dann verstärkt auf, wenn die Messung relativ weit von der Führungsachse entfernt durchgeführt wird. Der Fehler ist ähnlich einer Führungsabweichung, kann aber im Unterschied hierzu durch Verkürzung des Hebelarms verringert werden.

Absolute Genauigkeit 

wird dargestellt durch die Abweichung zwischen der Ist- und der Sollposition (eigentliche Bezeichnung Ungenauigkeit). Wird von einem System eine Bewegung von 100 mm gefordert, aber nur 99,99 mm zurückgelegt (gemessen mit einem idealen Maßstab), so beträgt die Ungenauigkeit 0,01 mm.
Als Genauigkeit entlang der Achse wird die bleibende Positionierabweichung bezeichnet, nachdem alle anderen linearen Abweichungen eliminiert wurden. Lineare (oder systematische) Abweichungen sind z.B. Cosinusfehler, Spindelsteigungsfehler, Winkelabweichungen am Messpunkt und Abweichungen durch thermische Ausdehnung. Grafisch werden diese Fehler auf einem Protokoll von Position und Abweichung durch die Steigung einer Ausgleichsgeraden dargestellt. Über die Steigung dieser Geraden lässt sich die absolute Genauigkeit annähernd wie folgt berechnen:
 
Absolute Genauigkeit = Genauigkeit entlang der Verstellachse + Steigung x Verstellweg
 
Bei Positioniereinheiten mit z. B. Glasmaßstäben, ist die Steigung beinahe gleich null und die absolute Genauigkeit ist gleich der Genauigkeit entlang der Verstellachse.

Auflösung 

ist die kleinste Bewegung, die das System noch detektieren kann. Die Auflösung wird auch Auflösung des Encoders genannt und normalerweise von dem Encoder bestimmt. Aufgrund von Fehlern im Antriebsstrang wie Hysterese, Umkehrspiel und Verwindung liegt bei den meisten Systemen die kleinste Schrittweite über der Auflösung.

Belastbarkeit 

Bei Linearmesstischen ist sie die zulässige Kraft, die sich aus einer auf die Bewegungsachse und Schlittenoberfläche vertikal in der Mitte des Schlittens angreifenden Last ergibt. Bei Rotationsmesstischen verläuft die Richtung der zulässigen Kraft entlang der Rotationsachse. Die Belastbarkeit von Messtischen hängt vor allem von der Art der Führung und der Vorspannung ab.

Axiale Belastung 

ist die maximale Belastung entlang des Antriebsstranges. Bei Tischen in Z-Anordnung unterscheidet sich die axiale Belastbarkeit in Richtung des Motors von der entgegen des Motors. In der Regel hängt die axiale Belastbarkeit von der Belastbarkeit des Motors und der Antriebsspindel ab.

Dynamische Belastung 

ist die Summe aller statischen Belastungen und des dynamischen Bewegungswiderstandes. Dynamische Merkmale der Belastung wie Reibung und Trägheit müssen dabei berücksichtigt werden.

Seitliche Belastbarkeit 

Der Begriff bezeichnet die maximale Belastung, die rechtwinklig zur Bewegungsachse entlang der Schlittenoberfläche angreifen kann. Die seitliche Belastbarkeit wird auch von der Belastbarkeit der Führungen bestimmt und ist meist gleich der vertikalen Belastbarkeit.

Vertikale Belastbarkeit 

ist die maximale Belastung, die mittig an dem sich bewegenden Schlitten angreifen darf.

Beschleunigung 

Geschwindigkeitsänderung pro Zeiteinheit.
Beschleunigung = Geschwindigkeit / Zeit (a = v / t)

DC-Motor 

Ein DC-Motor (Gleichstrommotor) wird durch Anlegen einer Gleichspannung in Drehung versetzt. Im Gegensatz zum Schrittmotor benötigt er keine externe Kommutierungseinrichtung. Die Rotation wird durch selbständiges Weiterschalten der Rotorwicklungen durch den Kommutator aufrechterhalten. Die Stromzufuhr erfolgt über die sogenannten Bürsten. Im unbelasteten Zustand ist die Drehzahl des DC-Motors annährend proportional zur angelegten Spannung. Da ein Gleichstrommotor nicht über definierte Schritte verfügt, ist zur Positionsrückmeldung ein inkrementales Wegmeßsystem, bzw. ein Drehgeber notwendig.

Einstellempfindlichkeit 

ist die minimale Stellgröße, die eine Bewegung bewirkt. Sie wird auch beschrieben als das Verhältnis von resultierender Bewegung und ursächlichem Antrieb.

Führungsabweichung 

ist der lineare Anteil einer Abweichung von der Verstellachse. Die Führungsabweichung setzt sich aus zwei orthogonalen Komponenten zusammen:
Geradheit (Abweichung in der Ebene des Verschiebeschlittens) und die Ebenheit (Abweichung außerhalb der Ebene des Verschiebeschlittens).

Führungsgenauigkeit 

durch Ungenauigkeiten der Führung (z.B. Toleranzen der Wälzkörper) bewegt sich die Aufspannfläche des Messschlittens nicht auf einer idealen Geraden. Typische Abweichungen sind Gierfehler Gz und Neigefehler Gy. Diese Abweichungen werden zusätzlich als absolute und relative Abweichungen definiert. Die relative Abweichung ist die Abweichung bezüglich der mittleren Geraden (Ausgleichsgerade).
Geradheitsabweichung Gz (Gieren)
Ebenheitsabweichung Gy (Neigen)

Genauigkeit 

Sie beschreibt die erwartete Abweichung zwischen der Ist- und der Sollposition. Die Genauigkeit eines Positionierers hängt u.a. von der Messmethode der Istposition ab.

Geschwindigkeit 

Wegänderung pro Zeiteinheit
Geschwindigkeit = Weg / Zeit (v = s / t)
Die jeweiligen Geschwindigkeiten hängen von der Spindelsteigung, der Motordrehzahl und eventuellen Getriebestufen ab.

Geschwindigkeitsstabilität 

ist die Fähigkeit, eine Bewegung mit konstanter Geschwindigkeit auszuführen. Die Geschwindigkeitsstabilität hängt von der mechanischen Messtischkonstruktion, den Steuerungsmechanismen und -algorithmen, den Encodern und der Geschwindigkeit selbst ab.

Haftreibung 

Haftreibung ist die statische Reibung, die überwunden werden muss, um einen Körper aus der Ruheposition zu bewegen. Da die statische Reibung immer höher als die Gleitreibung ist, muss eine höhere Kraft angewendet werden um einen Körper aus der Ruheposition zu bewegen als einen Körper in Bewegung zu halten. Daher bewegt sich ein Körper unter Krafteinwirkung zunächst nicht und dann oberhalb einer nicht reproduzierbaren Schwelle plötzlich mit einem nichtlinearen "Sprung", der von modernen Steuerelektroniken ausgeglichen werden kann (Stick-Slip-Effekt).

Hysterese 

bezeichnet unterschiedliche Bewegungen bei denselben Eingangssignalen, die bei verschiedenen Richtungen auftreten. Hysterese wird durch elastische Kräfte in verschiedenen Komponenten des Antriebsstranges (z. B. Verwindung der Antriebsspindel) verursacht. Die Hysterese wird häufig mit Umkehrspiel verwechselt, welches jedoch genau gestimmt und mit geeigneter Steuerelektronik ausgeglichen werden kann.

Kozentrizität und Taumelfehler 

Beim Rotationsmesstisch bezeichnet die Kozentrizität (Exzentrizität) die Abweichung des Drehmittelpunktes von seiner mittleren Position im Verlauf einer Drehung. Bei einem perfekt zentrierten Rotationsmesstisch würde bei der Drehung keine Exzentrizität auftreten. Taumeln eines Rotationsmesstisches ist die Winkelabweichung der Rotationsachse im Verlauf einer Umdrehung.

Längenmeßsystem 

Bei hohen Forderungen an Positioniergenauigkeit und Reproduzierbarkeit bzw. bei den Tischen wo ein Linearantrieb den Spindelantrieb ersetzt, dient ein hochauflösendes inkrementales Längenmeßsystem der höchsten Genauigkeitsklasse zur Positionsrückmeldung. Spindelsteigungsfehler und Umkehrspiele werden dabei kompensiert. Die maximale Auflösung des zum Einsatz kommenden Standardmeßsystems beträgt 0,1 µm. Höhere Auflösungen können mit Sondermeßsystemen erreicht werden.

MTBF Lebensdauer 

MTBF oder Mean Time Between Failures ist ein Maß für die Zuverlässigkeit eines Messtisches.

Nanotechnologie 

Die Silbe "Nano" (griech. Zwerg) bezeichnet einen Größenbereich, der 1000fach kleiner ist als Strukturen derzeitiger Bauelemente des Mikrometerbereiches (1nm entspricht dem milliardsten Teil eines Meters). Die Nanotechnologie beschäftigt sich mit Systemen, deren Komponenten aufgrund ihrer Kleinheit (nm-dünne Schichten, nm-glatte Präzisionskörper, nanoskalige Einzelstrukturen, Materialien aus Nanopartikeln sowie Analyseverfahren, die auf nanoskaligen Effekten basieren) völlig neue Eigenschaften und Funktionen für Produkte und Verfahren ermöglichen.
 
Unter Wissenschaftlern werden die Erkenntnisse der Nanotechnologie bereits seit mehreren Jahren als Schlüssel für zukünftige Technologien und Produkte diskutiert. Um die neuartigen Effekte in der Nanometerdimension genau zu verstehen, sind Kenntnisse aus vielen spezialisierten Fachdisziplinen notwendig, die einen branchen- und fachübergreifenden Ansatz erforderlich machen. Erst das Verständnis der Vorgänge in atomarer Dimension ermöglicht es, Produkteigenschaften zu optimieren und neue Verfahren bzw. Produkte zu entwickeln.
 
Experten erwarten enorme Fortschritte in den Bereichen neuer ressourcenschonender Materialien, intelligenter Oberflächen, hochpräziser Formkörper sowie ultradichter Datenspeicher. Die Beherrschung der Analyse-, Herstellungs- und Strukturierungstechniken im nm-Maßstab, bis hin zu Manipulationen im atomaren und molekularen Bereich, ist Voraussetzung für langfristige Entwicklungen in der Fahrzeug-, Maschinentechnik, Optik und Analytik sowie der Chemie, Biologie, Umwelt- und Medizintechnik.

Positioniergenauigkeit (dx) 

ist die maßliche Abweichung der tatsächlich erreichten Istposition XIST von der gewünschten Sollposition XSOLL:
Dx = XIST - XSOLL
Die Positioniergenauigkeit ist im Gegensatz zur Positionsauflösung die tatsächlich erreichte Genauigkeit des Systems. Sie wird hauptsächlich von folgenden Faktoren beeinflusst:

• Spindelsteigungsfehler
• Lagerspiel
• Encoder-Teilungsfehler
• Belastungen auf das System

Positionsauflösung 

Die Positionsauflösung ist definiert als kleinstmögliche Verstellung einer Translation oder Rotation.

Positionsstabilität 

Die Positionsstabilität ist die Fähigkeit, eine genaue Position über längere Zeit konstant zu halten. Die Abweichung von der stabilen Position wird Drift genannt. Drift wird durch Abnutzung, Gleitmittelbewegung und Temperaturschwankungen verursacht.

Präzision 

bezeichnet den Positionsbereich, innerhalb dessen 99,7 % der Endpositionen bei wiederholten Positionieren liegen. Die Präzision wird auch Wiederholgenauigkeit genannt.

Reibung 

Reibung wird als Widerstand bei einer Bewegung zwischen Kontaktflächen definiert. Reibung kann konstant oder von der Geschwindigkeit abhängig sein. Verschiedene Faktoren tragen zur Gesamtreibung eines Systems bei: z. B. Gleitreibung oder Abnutzung und Gleitmittelviskosität.

Reproduzierbarkeit 

Die Reproduzierbarkeit bezeichnet den Bereich, in dem eine Istposition variiert, wenn eine bestimmte Sollposition beliebig oft unter gleichen Bedingungen angefahren wird. Man unterscheidet zwischen unidirektionaler und bidirektionaler Reproduzierbarkeit.

Rotationsencoder 

Standardmäßig sind die DC-Motoren mit einem hochauflösenden elektro-optischen Impulsgeber ausgestattet. Dieser Impulsgeber erzeugt mittels einer Metallscheibenblende im Durchlichtverfahren zwei um 90 Grad phasenverschobene Ausgangssignale. Pro Umdrehung liefert der Encoder beispielsweise 500 Impulse. Durch die elektronische Auswertung beider Signale erhält man neben der Richtungserkennung eine Vervierfachung der Impulse auf 2000 Impulse pro Umdrehung. Bei einer vorhandenen Spindelsteigung von 1 mm ergibt sich somit bei einem Steuerimpuls eine Veränderung der Sollposition von 0,0005 mm, d.h. eine maximale Auflösung von 0,5 µm.

Schrittweite, kleinste 

ist die kleinste Bewegung, die ein Gerät zuverlässig ausführen kann. Sie ist nicht mit der Auflösung der jeweiligen Anzeige zu verwechseln, den die Anzeige darstellen kann und der wesentlich unter der eigentlichen Schrittweite des Systems liegen kann.

Spiel 

ist die unkontrollierte Bewegung aufgrund von Toleranzen bei mechanischen Teilen. Bei älteren Geräten, die überlastet oder unsachgemäß behandelt wurden, kann sich das Spiel verstärken.

Systematik der Postioniersysteme 

Jeder Positioniertisch hat sechs Freiheitsgrade: drei geradlinige Bewegungen entlang der Achsen X,Y und Z sowie die Rotation um diese Achsen. Die beschriebenen Bewegungen beziehen sich meist auf ein rechtshändiges Koordinaten-System, in dem jede Bewegung als eine Zusammensetzung verschiedener geradliniger Bewegungen entlang und/oder Rotationen um die Koordinatenachse betrachtet werden kann. Die Tische der Feinmess Dresden GmbH zeichnen sich durch eine besonders präzise Bewegung aus. Dies bedeutet, dass einem gewünschten "geradlinigen" Verfahren in Richtung der Bewegungsachse ein Ausbrechen des Positioniertisches in die anderen Richtungen verhindert wird.

Trägheit und Trägheitsmoment 

ist das Maß des Widerstandes einer Masse gegen eine (Dreh-) Geschwindigkeitsänderung. Je höher die Trägheit oder das Trägheitsmoment, desto größer ist die zur Beschleunigung oder Abbremsung einer Last erforderliche Kraft (Drehmoment). Die Trägheit (Trägheitsmoment) hängt von der Masse (und der Form) der Last ab.

Umkehrspiel 

ist der Positionierfehler, der bei einem Richtungswechsel auftritt. Das Umkehrspiel kann durch unzureichende axiale Vorspannung oder ungenaues Ineinandergreifen der Antriebskomponenten, z.B. der Getriebezähne, verursacht werden. Das Umkehrspiel tritt meist gleichmäßig auf und kann durch eine geeignete Steuerelektronik ausgeglichen werden. Steinmeyer-Kugelgewindetriebe und -spindeln zeichnen sich durch ein besonders geringes Umkehrspiel aus.

Verkippung und Taumeln 

ist die als Winkel gemessene Abweichung von der Verstellachse. Verkippung und Taumeln setzen sich aus drei orthogonalen Komponenten zusammen, die häufig mit Rollen, Nicken und Gieren bezeichnet werden. Diese Fehler dominieren meist den gesamten geometrischen Fehler von mehrachsigen Positioniersystemen.

Wiederholgenauigkeit 

ist die Fähigkeit eines Systems eine Position zuverlässig wiederholt auf denselben Befehl hin anzufahren. Häufig wir die unidirektionale Wiederholgenauigkeit angegeben, womit die Fähigkeit des Gerätes bezeichnet wird, eine Bewegung in einer Richtung zu wiederholen. Bei dieser Angabe werden Phänomene wie Umkehrspiel und Hysterese nicht berücksichtigt.
In manchen Fällen ist die bidirektionale Wiederholgenauigkeit wichtiger. Sie setzt sich aus der unidirektionalen Widerholgenauigkeit und der Hysterese des Systems zusammen. Die Fähigkeit der Wiederholgenauigkeit ist bei Systemen der Feinmess Dresden GmbH besonders ausgeprägt.