Taktiles Positionieren - Einsatz von Linearmotoren in Kraft-Weg überwachten Produktionsprozessen

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Taktiles Positionieren - Einsatz von Linearmotoren in Kraft-Weg überwachten Produktionsprozessen Autor: Dipl.-Physiker W. Jung - Stand: Grundlagen 1.1 Aktuatoren Vergleich aufgenommener Strom
Taktiles Positionieren - Einsatz von Linearmotoren in Kraft-Weg überwachten Produktionsprozessen Autor: Dipl.-Physiker W. Jung - Stand: 1. Grundlagen 1.1 Aktuatoren Vergleich aufgenommener Strom aufgenommener Strom Grundsätzlicher Vergleich Der Vergleich von klassischen Vorschubsystemen, die mit Zahnriemen, Ritzel, Kupplungen, Planetengetrieben und rotativen Servomotoren ausgestattet sind, mit direkt angetriebenen Systemen, zeigt im Falle der klassischen Lösung anhand der Anzahl von Konstruktionselemente den Vorteil der linearen Direktantriebstechnik auf. Hier wird direkt aus Strom eine Kraft 'gemacht'! abgegebene Kraft abgegebene Kraft Lineare Direktantriebe sind wegen der direkten Kopplung zwischen abgegebener Kraft und aufgenommenem Strom der Grund für die besondere Eignung beim taktilen Positionieren. 1.2 Prinzip Linearmotor als Kraftgeber aufgenommener Strom Proportionalität zwischen aufgenommenem Strom und abgegebener Kraft beim Linearmotor abgegebene Kraft Zwischen aufgenommenem Strom und abgegebener Kraft besteht bei Linearmotoren ein direkter proportionaler Zusammenhang! Dieser Zusammenhang wird im Datenblatt des jeweiligen Motortypes durch die Kraftkonstante in der Einheit [N/A] spezifiziert. Tatsächlich ist die vom Motor bzw. vom gesamten Aktuator abgegebene Kraft jedoch von verschiedenen Parametern abhängig! Ohne weitere messtechnische Maßnahmen ist eine 'präzise' Kraftabgabe grundsätzlich zunächst nicht möglich! 1.3 Ideale Strom-Kraft Kennlinie Ideale Verhältnisse aufgenommener bzw. eingeprägter Strom idealer Verlauf - die abgegebene Kraft ist das Produkt aus Kraftkonstante und aufgenommenem Strom abgegebene Kraft 1.4 Mechanische Fehlerquellen aufgenommener bzw. eingeprägter Strom realer Verlauf idealer Verlauf Mechanische Fehlerquellen - Einbaulage des Aktuators - Stick-Slip-Effekt - mechanische Reibung - Verschmutzung - mechanisches Einlaufen - Befettungsgrad abgegebene Kraft Fehler, der z.b. durch Reibung hervorgerufen wird realer Verlauf 1.5 Magnetische Fehlerquellen aufgenommener bzw. eingeprägter Strom reale Verläufe idealer Verlauf Magnetische Fehlerquellen - Toleranzen in der Magnetfeldstärke - Toleranzen in der Magnetqualität - Temperaturgang der Feldstärke - magnetisches Rasten (Cogging) abgegebene Kraft Fehler, der z.b. durch Reibung hervorgerufen wird reale Verläufe 1.6 Gesamtfehler aufgenommener bzw. eingeprägter Strom idealer Verlauf abgegebene Kraft Erfahrungswerte Erfahrungsgemäß spielen als Fehlerquellen Gewichtskräfte, bedingt durch die Einbaulage und besonders die mechanische Reibung des gesamten Systems bei der Gesamtfehlerbetrachtung eine Rolle! In kleinen Kräftebereichen sind die Messfehler bezogen auf den Nutzkraftwert sehr hoch anzusetzen! So kann nur ganz grob für den Proportionalitätsfaktor ein Fehler in der Größenordnung ca % angesetzt werden (bezogen auf den Kraftendwert des Antriebs)! Damit ist mit dieser Messmethode nur eine qualitative Aussage über den Kraftwert möglich. Durch eine einmalige Kalibrierung mit einer Kraftmessdose kann die Messgenauigkeit erheblich verbessert werden. 1.7 Erhöhung der Messgenauigkeit aufgenommener Strom Zusätzlicher Kraftsensor zur Messung der tatsächlich abgegebenen Kraft Mit einem zusätzlichen Kraftsensor kann die tatsächlich abgegebene Kraft live gemessen und ausgewertet werden. Zu berücksichtigen ist für das zusätzliche Messsystem der nicht unerheblich höhere Kostenaufwand, das Zeitverhalten, die Überlastfähigkeit und der Mehraufwand für die Auswertung +/- 10 V oder Feldbus Kraftsensor abgegebene Kraft Messverstärker 1.8 Kraftregelung Kraftsensor abgegebene Kraft eingeprägter Strom +/- 10 V oder Feldbus Messverstärker Positioniercontroller Position u. Stromsollwert SPS als Prozesssteuerung Kraftregelung mit Kraftsensor und schneller SPS Die Funktionalität stellt eine Kombination aus Positionieren und Kraftregelung dar! Hier übernimmt eine schnelle SPS die Messdatenerfassung, den Prozessablauf und die Kraftregelung. Bei Einsatz einer entsprechenden Analogbaugruppe ist die Auswertung von bipolaren Kraftsignalen möglich. Als Kraftstellgröße dient der über Feldbus vorgegebene Stromsollwert. Die Aufgabe der Positionsregelung übernimmt der Positioniercontroller. Über den Feldbus lassen sich Funktions-, Regel- und Messablauf frei gestalten! Betreffend erreichbarer Genauigkeit und Dynamik ist eine umfassende Definitions- und Klärungsphase notwendig! 2. Technische Realisierungen 2.1 Einfacher Fügevorgang Prozessablauf 1. Ausgangssituation 2. Schnelles Positionieren zum Prozessanfang 3. Langsame, gefühlvolle Positionierfahrt mit reduziertem Strom über das eigentliche Ziel hinaus, Schleppfehlerüberwachung deaktiviert 4. Ende Fügevorgang kann erkannt werden durch: - Stromanstieg - Zeitüberschreitung und Prozess- Positionsfenster erreicht 5. Schnelles Positionieren zurück zur Ausgangssituation 2.2 Fügevorgang mit Kontrolle Prozessablauf Ausgangssituation 2. Schnelles Positionieren zum Prozessanfang 3. Langsame, gefühlvolle Positionierfahrt mit reduziertem Strom über das eigentliche Ziel hinaus, Schleppfehlerüberwachung deaktiviert 4. Schlechtteil und Ende Fügevorgang kann erkannt werden durch: - Stromanstieg - nach Zeitüberschreitung wird Prozess- Positionsfenster nicht erreicht 5. Schnelles Positionieren zurück zur Ausgangssituation 2.3 Zweistufiger Fügevorgang Prozessablauf u. 2. wie Beispiel Langsame, gefühlvolle Positionierfahrt mit reduziertem Strom über das eigentliche Ziel hinaus, Schleppfehlerüberwachung deaktiviert, während der Positionierfahrt kann das Eindrücken der Dichtung anhand einer Stromzunahme erkannt werden 4. Ende Fügevorgang kann erkannt werden durch: - Stromanstieg - Zeitüberschreitung und Prozess- Positionsfenster erreicht 5. Schnelles Positionieren zurück zur Ausgangssituation 2.4 Zweistuf. Fügevorgang mit Kontrolle Prozessablauf 1., 2. u. 3. wie Beispiel Schlechtteil und Ende Fügevorgang kann erkannt werden durch: - Stromanstieg - nach Zeitüberschreitung wird Prozess- Positionsfenster nicht erreicht 5. Schnelles Positionieren zurück zur Ausgangssituation 3. Technische Ausführungen 3.1 Technische Ausführungen Kundenspezifischer Kraftaktuator mit zwei 'parallelgeschalteten' Linearmotoren, Kraftsensor und Vakuumsauger Anbau eines Hottinger Sensors U2B an das HighDynamic Linearmotor-Modul HM01-37 bzw. HM01-48
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