Quality Engineering 02.2020

:: Technik
Maßnahmen zur Erhöhung der 3D-Genauigkeit von Positioniersystemen
Gut in Position gebracht
Mit hochgenauen Positioniersystemen lassen sich in der Mess- und Prüftechnik Werkstücke
genau platzieren. Um die gewünschten Toleranzziele zu erreichen, nutzen die Konstrukteure
bei Aerotech mehrere Möglichkeiten, die 3D-Genauigkeit der Positioniersysteme zu erhöhen.
Dies zahlt sich zum Beispiel bei 3D-Oberflächenmessungen aus.
Hohe Steifigkeit ist
unerlässlich für ein
Positionierungssystem,
um im Nanometer -
bereich exakt positio -
nieren zu können
Bild: Aerotech
Der Autor
RJ Hardt
Business Development
Manager
Aerotech
www.aerotech.com
Positioniersysteme automatisieren in der Praxis hochpräzise
Fertigungsprozesse, viele dieser Prozesse finden
in 3D statt. Beispielsweise das Positionieren eines Werkstücks,
um eine 100-Prozent-Prüfung der Oberfläche
durchführen zu können. Dabei ist es meist schwierig,
Fertigungstoleranzen im Mikrometer- und Nanometer-
Bereich zu erreichen, da Positionierungssysteme im
3D-Raum zusätzliche Fehler aufweisen. Wenn wir jedoch
von räumlicher Positionierungsgenauigkeit oder
3D-Genauigkeit sprechen, können einige grundlegende
Überlegungen den Konstrukteur dabei unterstützen,
seine gewünschten Toleranzziele zu erreichen.
Eine Möglichkeit zur Erhöhung der 3D-Genauigkeit
von Positionierungssystemen ist es, eine höhere Steifigheit
zu erzielen. Hohe Steifigkeit ist unerlässlich für ein
Positionierungssystem, um im Nanometerbereich exakt
positionieren zu können. Deshalb sollten bei der Konstruktion
alle Möglichkeiten in Erwägung gezogen werden,
um fehlende Steifigkeit zu kompensieren. Wird sie
bereits bei der mechanischen Konstruktion verbessert,
resultiert daraus unmittelbar eine Erhöhung der Wiederholgenauigkeit
der Bewegung, was letztlich auch
das Erreichen hoher 3D-Genauigkeiten erheblich erleichtert.
Wie der Begriff schon sagt, ist eine nicht wiederholbare
Bewegung also eine Bewegung, die nicht
durch Softwarekalibrierung und Korrekturtabellen vorhergesagt
und kompensiert werden kann.
Darüber hinaus gibt es für den Konstrukteur unterschiedliche
Richtungen, in denen die Steifigkeit verbessert
werden muss. Es gibt Fehlerbewegungen in sechs
Freiheitsgraden (D.O.F.) für jede einzelne Bewegungsachse,
die zu einer Positionierungsplattform hinzugefügt
wird. Was bedeutet das aber, wenn ein Bearbeitungsprozess
sechs Bewegungsachsen erfordert? Letztlich
heißt das, sechs Freiheitsgrade mal sechs Achsen ergibt
36 mögliche Fehlerquellen, um die sich der Konstrukteur
sorgen muss. Durch das Erhöhen der Steifigkeit
können die Ursachen für räumliche Positionierungsfehler
verringert werden.
Eine weitere Möglichkeit zur Erhöhung der 3D-Genauigkeit
von Positionierungssystemen besteht darin,
Feedback am Arbeitspunkt hinzuzufügen. Der Konstrukteur
kann zum Beispiel Feedback-Mechanismen integrieren,
um die Anzahl der Abbe-Fehler zu verringern.
Dabei ist dies recht einfach möglich, nämlich über das
Reduzieren des Abstands zwischen dem Feedback-Gerät
der Positioniermechanik und dem Arbeitspunkt im
Raum, den man für seinen Prozess verwendet. Angenommen,
der Konstrukteur hat ein XY-Positionierungssystem,
das ein Werkstück bewegt, und will ermitteln,
was mit diesem Teil an einem Punkt im Raum geschieht,
der sich 100 mm über dem XY-Positionierungssystem
befindet. Hier kann das Hinzufügen einer zweiten Rückkopplungsquelle,
die 100 mm über der XY-Mechanik
liegt, den Bewegungsachsen wertvolle Informationen
liefern und es ihnen ermöglichen, eventuell vorhandene
Abbe-Fehler zu kompensieren.
Einsatz von Kalibrier- und Korrekturtabellen
Eine weitere Möglichkeit ist das Verwenden von Kalibrier-
und Korrekturtabellen. Auf diese Methoden verlassen
sich viele Konstrukteure, um die inhärent begrenzten
Mechanismen und Antriebsmechanismen zu
korrigieren. In der Praxis würde man ein hochauflösendes
Messgerät verwenden, um die tatsächliche Position
einer Bewegungsachse zu messen, während sie definiert
bewegt wird. Hierbei wird die Differenz zwischen
der tatsächlichen Messung und der Messung in Bewegung
berechnet und in einer Korrekturdatei hinzugefügt.
Wenn die Achse nun das nächste Mal den Befehl
erhält, sich um dieselbe Strecke zu bewegen, korrigiert
sie sich selbst basierend auf der tatsächlichen Messung,
die von dem externen Messgerät durchgeführt wurde.
Die Kalibrierung ist ein Offline-Prozess und funktioniert
nur bei wiederholbaren Fehlern.
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