Veröffentlichungen am IKFF. Integrierte Wegmessung in Lineardirektantrieben

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1 Veröffenlichungen am IKFF Inegriere Wegmessung in Lineardirekanrieben C. Welk, B. Gundelsweiler, W. Schinköhe (IKFF, Sugar) Beirag zur GMM IMM Fachagung Innovaive Klein und Mikroanriebe Mainz 15./16. Mai 2001 Veröffenlich im GMM Fachberich 33: Innovaive Klein und Mikroanriebe 2001 Vorräge der GMM IMM Fachagung vom 15. bis 16. Mai 2001 in Mainz VDE Verlag, Bismarcksraße 33, Berlin ISBN ISSN VDE/VDI GMM Universiä Sugar Pfaffenwaldring 9 Insiu für Konsrukion und Ferigung in der Feinwerkechnik Sugar

2 Inegriere Wegmessung in Lineardirekanrieben Dipl.-Ing. C. Welk, Dipl.-Ing. B. Gundelsweiler, Prof. Dr.-Ing. W. Schinköhe Universiä Sugar, Insiu für Feinwerkechnik, Pfaffenwaldring 9, Sugar, Deuschland Kurzfassung Posiioniersyseme mi elekrodynamischen Lineardirekanrieben erfordern zur Realisierung eines geschlossenen Regelkreises ein Wegmesssysem, wobei Kosenaufwand und Bauraum meis erheblich sind. In den Anrieb inegriere Messsyseme, die ohne zusäzliche Bauelemene auskommen, erschließen deshalb insbesondere in der Feinwerkechnik neue Anwendungsfelder. Aufgezeig werden das Funkionsprinzip, zur Zei erreichbare Sysemeigenschafen sowie konsrukive Voraussezungen, um diese Messmehodik in Linearanrieben verschiedener Bauar einzusezen. 1 Einleiung Für die Ausführung einer linearen Bewegung werden in Fein- und Mikroechnik zunehmend elekrodynamische Lineardirekanriebe sa roaorischer Anriebe mi Roaions-/Translaionsumformern eingesez. Die Gründe hierfür sind uner anderem höhere Dynamik, einfacherer und dami kosengünsiger Aufbau, höheres Miniaurisierungspoenzial und beding durch den Wegfall des Geriebes, eine Seigerung der Sellgenauigkei. Diese Anforderungen und die Berücksichigung von Umgebungsbedingungen führen zu Anriebseinheien, deren Parameer genau aufeinander abgesimm werden müssen, um die im jeweiligen Anwendungsfall gewünschen Eigenschafen zu erreichen. Bild 1 zeig beispielhaf einen solchen, für seinen Einsaz als Fokussieranrieb einer Endoskopopik opimieren Akor. Bild 1: Fokussieranrieb für Endoskopopik, Durchmesser 7 mm Da solche Mooren keine inerne Maßverkörperung besizen, erfordern komplee Posiioniersyseme ein zusäzliches exernes Wegmesssysem, um einen geschlossenen Regelkreis zu realisieren. Durch ensprechend angepasse Moorkonsrukionen können aber die dem Moor inhärenen sensorischen Eigenschafen zur inegrieren Wegmessung ausgenuz werden. Indukiviä in µh ,5 1 1,5 2 Läuferposiion in mm Spule 1 Spule 2 Bild 2: Wegabhängigkei der beiden Mooreilspulindukiviäen des Fokusieranriebs Am Insiu für Konsrukion und Ferigung in der Feinwerkechnik (IKFF) der Universiä Sugar wurde deshalb begonnen, durch duale Nuzung der Moorspulen sowohl als Anriebs-, als auch als Messwicklung ein wegproporionales Signal für die Läufersellung in feinwerkechnischen Gleichsromlinearmooren direk abzuleien und dami ein zusäzliches Wegmesssysem zu umgehen. Kerngedanke is dabei, die Indukiviäsänderung in den Teilspulen des Moors bei Verschiebung des magnebehafeen Läufers als wegproporionales Signal zu erfassen. Hervorzuheben is dabei, dass dieses Messsysem moorseiig keine zusäzlichen Baueile erforder. Die Signalauswerung kann in die ohnehin vorhandene Anseuerelekronik verlager werden. Bild 2 zeig die Abhängigkei der Mooreilspulindukiviäen von der Läuferposiion des Fokusieranriebs. Es exisieren zwei verschiedene Konzepe zur Erzeugung eines Wegsignals aus den Spannungsabfällen über den Teilspulen eines ensprechenden Moors, die

3 Nuzung eines analogen Sellgliedes mi überlagerer Messwechselspannung sowie die Nuzung eines pulsweienmodulieren, geakeen Sellgliedes ohne zusäzliche Messwechselspannung. Analoge Sellglieder werden vorzugsweise für kurzhubige, homopolare Mooren kleiner Leisung eingesez. Geakee Sellglieder kommen in der Regel in aufwändigeren, heeropolaren und elekronisch kommuieren Anrieben zur Anwendung und eignen sich auch für höhere Leisungen. 2 Moor- und Messprinzip Die vorgesellen Moorprinzipien sellen elekrodynamische Lineardirekanriebe mi bewegen Permanenmagneläufern und fessehenden Spulensysemen dar. Diese Moorbauaren eignen sich insbesondere durch die enfallende Anschlusskabelmiführung des Spulensysems und den dami bedingen Sandzeiproblemen für feinwerkechnische Anriebe im Krafbereich bis 100 N. 2.1 Anforderungen an den Mooraufbau (Läufer- und Spulensysem) Das zur Posiionsauswerung eingeseze Prinzip basier auf der Funkion eines Differenialdrosselwegaufnehmers. Die Indukiviä einer Teilspule solle sich möglichs sark erhöhen, bzw. im gleichen Maß die Indukiviä der anderen Teilspule vermindern. Eine Indukiviäsänderung kann dabei durch das Einschieben bzw. Ausfahren eines hochpermeablen Maerials in das Spulensysem erfolgen. Bei der Verwendung von Permanenmagneläufern besizen diese jedoch nur eine geringe Permeabiliä des Magnemaerials und eine dadurch bedinge geringe Indukiviäsänderung. Die ypischen Enmagneisierungskennlinien der Magnewerksoffe sind in Bild 3 dargesell. Die Permeabiliä µ = µ 0 µ p is dabei das Verhälnis der magneischen Indukion B zum magneischen Feld H. Die ypischen permanenen Permeabiliäen der Magnewerksoffe beragen allerdings nur µ p = 1, ,1 für die Ferrie, µ p = ,5 für AlNiCo und µ p = 1, ,1 für die Selene-Erden. Zusäzliche hochpermeable magneische Flussführungen, welche in die Läuferkonsrukion inegrier sind, können hier Abhilfe schaffen. Bei axial magneisieren Permanenmagneen können dann zusäzliche Polschuhe zur Flussführung und Formung eingesez werden. Eine andere Bauform mi radial bzw. diameral magneisieren Magneschalen kann durch einen massiven Kern, welcher den magneischen Fluss leie, aufgewere werden. Die möglichen aufreenden Säigungserscheinungen sind in der Dimensionierungsphase zu überprüfen und durch ensprechende Maerialquerschnie und Maerialauswahl zu minimieren, um den magneischen Kreis nich zu schwächen. Die beiden genuzen unerschiedlichen Magneisierungsaren sind in Bild 4 dargesell. Bild 4: Magneisierungsaren Bei Mooren nach Bild 1 komm eine axiale Magneisierung zum Einsaz, bei Mooren mi innenliegendem massiven Kern eine radiale Magneisierung, wobei jedoch einzelne Magnesegmene genuz werden. Die im fessehenden Saor befindlichen Spulensyseme können ein- oder mehrphasig ausgeführ werden. Das Aufbauprinzip eines einsrängigen Anriebes zeig Bild 5. Bild 3: Enmagneisierungskennlinie [1], 1 AlNiCo, 2 Selene-Erden, 3 Ferrie Bild 5: Einsrängiges Anriebsprinzip

4 Diese Moorbauform is durch einen einfachen Aufbau gekennzeichne, mi dem kurzhubige, schnelle Anriebe realisier werden können. Bei den mehrsrängigen Anriebssysemen, die durch eine elekronische Kommuierung über große Wege verfahren können, gesale sich das Funkionsprinzip nach Bild 6. Die Darsellung zeig eine Hälfe des roaionssymmerischen Aufbaus. Diese beiden Teilspulen müssen in gerennen Halbsrängen des gleichen Sranges liegen. Dies wird durch eine ungeradzahlige Magneanzahl und eine geradzahlige Spulenanzahl jedes Teilsranges im Gesamsrang erreich. Die Teilsränge sind mi einer Mielanzapfung zu Verschalen, wodurch sich eine gleiche Wickelrichung der Einzelspulen ergib. Die Verschalung des zweisrängigen Spulensysems mi Mielanzapfung zeig Bild 8. Bild 6: Zweisrängiges Anriebsprinzip Am Beispiel eines zweisrängigen Spulensysems zeigen die Schrie schemaisch das Zuschalen und Umpolen der einzelnen Spulensränge und die Bewegung des Läufers. Die Krafaneile der beiden Einzelsränge überlagern sich und es ergib sich ein resulierender Gesamkrafverlauf, der mi einer Reswelligkei behafe is. Die Anforderungen der inegrieren Wegmessung an diesen Mooraufbau beziehen sich auf die Länge des Läufers und die Ausführung bzw. Verschalung des Spulensysems. Ein Läufersysemausschni mi wechselpolig diameral magneisieren Schalenmagneen und hochpermeablem Flussführungskern is in Bild 7 dargesell. Die Länge des Läufers muss so abgesimm werden, dass beim Durchfahren des Spulensysems immer aus einer Teilspule herausgefahren und in die andere Teilspule hineingefahren wird. Bild 8: Spulensysem mi Mienanzapfung 2.2 Mooranseuerung Üblich und allgemein bekann sind zwei Mehoden, um Mooren der obigen Bauar mi Srom zu beaufschlagen: Es sind dies zum einen das Einspeisen eines reinen Gleichsroms, dessen Berag und Vorzeichen mi guer Näherung in einer linearen Beziehung zur erzielbaren Läuferkraf seh. Spg. +U B 0 -U B Srom +I max 0 -I max Bild 9: Pulsweienmodulaion Bild 7: Darsellung des Magnesysems Zum anderen kann ein im zeilichen Miel konsaner, einsellbarer Sromfluss durch eine sogenanne Pulsweienmodulaion erziel werden, Bild 9.

5 In schneller Folge wird der Moor dabei wechselweise an posiive bzw. negaive Versorgungsspannung geleg. Über die Seuerung dieser Schalzeien kann bei ausreichend hoher Anseuerfrequenz ein quasikoninuierlicher Moorsrom eingesell werden. Die analoge Anseuerung läss sich sehr einfach realisieren, ha aber den Nacheil, dass in der Leisungselekronik rech hohe Verlusleisungen anfallen. Die geakee Variane vermeide dieses Problem weigehend und komm deshalb vorzugsweise bei leisungssärkeren Anrieben zum Einsaz. Mi der in Bild 11 gezeigen Elekronik kann diese ausgewere und einem Mikroconroller zugeführ werden, der dann mi geeigneen Algorihmen die Regelung übernimm und die Leisungsendsufe in geeigneer Weise anseuer. Es muss an dieser Selle darauf hingewiesen werden, dass der Einsaz eines Conrollers opional is. Für Einfachssyseme kann die Elekronik auch ohne Digialeil rein analog aufgebau werden, wie dies bereis bei einigen Projeken, siehe ewa Bild 1, gezeig wurde. 2.3 Inegriere Wegmessung bei analoger Anseuerung Das Prinzip der inegrieren Wegmessung beruh beim analogen Sellglied auf einer Wechselspannung, die der eigenlichen, zur Kraferzeugung nowendigen, Moorspannung überlager is. Wie von der Differenialdrossel her bekann, läss sich mi Hilfe dieses Wechselaneils eine Änderung des Indukiviäsverhälnisses beider Mooreilspulen messen. Die Frequenz der Messwechselspannung wird so hoch gewähl, dass der Moor ihr mechanisch nich folgen kann und keine akusischen Auswirkungen aufreen, üblicherweise 20kHz. Zur Wegmessung werden die mi dem Läuferweg veränderlichen Indukiviäen der beiden Anriebseilspulen L1 und L2 ausgewere. Es enseh ein komplexer Spannungseiler, dessen beide komplexen Widersände sich mi dem Läuferweg ändern. Berache man den Wechselspannungsaneil am Mienabgriff der Moorspulen, so zeig sich eine Abhängigkei der Signalampliude von der Läufersellung, Bild 10. U U U Bild 10: Wechselspannungssignale am Mienabgriff bei 3 verschiedenen Läuferposiionen Bild 11: Blockschalbild 2.4 Inegriere Wegmessung bei geakeer Anseuerung Wird der Anrieb miels einer pulsweienmodulieren Spannung berieben, so is kein zusäzliches Messsignal erforderlich, um eine Läuferposiionsbesimmung durchzuführen. Der prinzipielle Mooraufbau is mi dem analoger Anseuerung idenisch und somi ergeben sich auch gleiche elekrische Ersazschalbilder. Dami seh wieder ein komplexer Spannungseiler zur Verfügung, der von den beiden Anriebsspulen gebilde wird. Nur bei Läufermielsellung sind die beiden Teilindukiviäen gleich groß und es ergib sich am Mienabgriff ein Wechselspannungsaneil von Null. Bei jeder anderen Läufersellung ergib sich ein Wechselsignal, aus dessen Verlauf sich die akuelle Posiion ableien läss, Bild 12. Dazu wird der Spannungsverlauf zwischen den Flankenwechseln analysier, in dem zu zwei verschiedenen Zeipunken Sample&Hold-Glieder die am Mienabgriff anliegende Spannung abasen, siehe Bild 13. Über einen Analog-Digial-Wandler können diese Were dann in

6 U U U Bild 12: Wechselspannungssignale am Mienabgriff bei 3 verschiedenen Läuferposiionen einen Mikroconroller eingelesen werden, der daraus die Seigung der abgeaseen Funkion errechne. 2.5 Inegriere Wegmessung in mehrsrängigen Anrieben Grundsäzlich lassen sich auch in kommuieren mehrsrängigen Anrieben Läuferposiionsmessungen mi beiden Sellgliedkonzepen verwirklichen, wenngleich hier sicherlich Pulsseller zu bevorzugen sind. Die erforderliche Kommuierung wirf zwar zusäzliche Probleme bei der Signalauswerung auf, diese lassen sich aber beherrschen. Ein mehrsrängiges Sysem kann man sich gedanklich aus mehreren, hinereinander angeordneen, einsrängigen Sysemen zusammengesez vorsellen. Dami wird auch klar, dass sich für jeden Teilabschni ein Wegsignal ergib, sich diese Wegsignale jedoch ensprechend der Anzahl der hinereinander angeordneen Syseme wiederholen. Dami seh eine analoginkremenale Posiionsinformaion zur Verfügung. Aus diesem Grund muss vom Moor bei Beriebsbeginn einmal eine bekanne Referenzposiion angefahren werden, wie dies auch bei anderen inkremenal arbeienden Messsysemen üblich is. Die Darsellung eines zweisrängigen Lineardirekanriebes zeig Bild 15. Der Moor beseh aus dem Läufersysem, Spulensysem, Führungssysem, Saor und Abschlussdeckeln. Die Haupabmessungen beragen für den Moordurchmesser 22 mm und die Moorlänge 201 mm. Der Hub des Anriebes beräg 46,5 mm. Das Läufersysem is in Bild 14 dargesell. Es bau sich aus fünf wechselpolig diameral magneisieren Magneringen auf, die jeweils aus ach Segmenmagneen besehen. Als Magnewerksoff is NdFeB eingesez worden. Als innere Flussführung dien ein hochpermeabler Kern aus Vacoflux 50. Bild 13: Blockschalbild Miles weierer Algorihmen kann dann die akuelle Läuferposiion errechne werden. Durch geeignee Programmierung lassen sich noch verschiedene Fehlereinflüsse eliminieren, Moorkennlinien linearisieren oder Regelvorschrifen realisieren. Ebenso is eine Rechner- oder Feldbusanbindung möglich. Bild 14: Läuferaufbau

7 Bild 15: Zweisrängiger Lineardirekanrieb Die Führung des Läufers erfolg durch eine Nuwelle mi Kugelumlauführung, wodurch eine zusäzliche Verdrehsicherung enseh. Zur Absüzung des Magnesysems im Moorinneren dien eine Gleiführung. Das zweisrängige Spulensysem is auf einen Wickelkörper in Form einer Hülse mi Kammern gewickel, Bild 16. Durch die exake geomerische Lage der einzelnen Kammern sind die Kommuierungspunke genau definier. Die bei dieser Moorbauform möglichen aufreenden Säigungserscheinungen sind miels einer FEM- Analyse opimier worden. In Bild 17 sind dazu die Verläufe der magneischen Flussdiche und überlageren Feldlinien dargesell. Der Einsaz von Hochenergiemagnewerksoffen verursach im Läuferkern sehr hohe magneische Flussdichen. Diese Säigungserscheinungen sind durch ensprechende Wahl der Magnelänge mi Werksoffbzw. Maerialquerschnisauswahl zu minimieren, um keine hohen magneischen Poenialverluse zu erhalen. Als Flussführungswerksoff im Kern is deshalb der hochpermeable Sonderwerksoff Vacoflux 50 eingesez worden, der eine Säigungsindukion von bis zu 2,3 Tesla erreich. Die erzielbare Dauervorschubskraf des Anriebes beräg 7 N. Durch den ferigungsechnisch günsig gesaleen Aufbau, der sich nur auf wenige Einzeleile beschränk, ensehen kompake Anriebseinheien, die leich monier werden können. Bild 17: FEM-Analyse (Sromdiche 15 A/mm 2 ) Bild 16: Wickelkörper in Kammerbauform Ferner sind durch den modularen Anriebsaufbau Syseme in verschiedenen Durchmesser- und Verfahrbereichen möglich. Anriebsvarianen für den Krafbereich bis 100 N wurden ebenso realisier. 3 Inegriere Wegmessung in anderen Moorkonzepen Für Sonderlösungen biee es sich an, inegriere Wegmessung auch in anderen Anriebskonzepen einzusezen: Asynchronlineardirekanriebe ermöglichen zum Beispiel exrem lange Verfahrwege bei minimalen Moorkosen, da hier keine Magnee benöig werden und der einfachs aufgebaue Läufer beliebig lang gesale werden kann. Am IKFF is ein Konzep enwickel worden, um auch hier eine inegriere Wegmessung zu ermöglichen. Bei geringerem Krafbedarf oder kurzer Einschaldauer können somi preisgünsige Anriebs-

8 syseme realisier werden, die zum Beispiel in Handling- und Transporsysemen oder der Texil- und Verpackungsindusrie zum Einsaz kommen. Bild 18 zeig das Labormuser eines solchen, roaionssymmerischen, dreiphasigen Asynchronmoors. Die Einführung einer inegrieren Wegerfassung is hier zur Zei Gegensand der Forschung. Wie dargeleg wurde, exisier für elekrodynamische Lineardirekanriebe mi bewegen Magneen bei Beachung einiger Randbedingungen ein kosengünsiges, einfaches und bauraumsparendes Konzep zur Posiionsmessung. Bild 19 zeig am Beispiel eines homopolaren Moors mi 50 mm Hub das Auflösungsvermögen beider Messsyseme. Für eine Vielzahl von Anwendungen sind die erreichen Were bereis ausreichend. Werden an die Messgenauigkei besondere Anforderungen gesell, so lassen sich die Anriebe auch noch weier opimieren. Dies kann dann Sandardabweichung in mm 0,03 0,02 0, , ,5 Läuferposiion in mm 50 Bild 18: Asynchronlineardirekanrieb Analoges Sysem Geakees Sysem Spezielle Indukionsmooren lassen sich für Sonderanwendungen einsezen, wenn geringe Massen an fesgelegen Punken mi exremen Beschleunigungen beaufschlag werden sollen. Hier sind allerdings Sonderkonsrukionen für den jeweiligen Einsazfall nowendig, diese können dann aber durch den ebenfalls magnelosen und einfachen Aufbau inklusive inegrierer Wegmessung wirschaflich sehr ineressan sein. Ein derariges Sysem befinde sich zur Zei im Aufbau, um den Funkionsnachweis zu erbringen. Drehschubmooren vereinen das Prinzip von mehrsrängigem Lineardirekanrieb mi einem elekronisch kommuieren roaorischen Elekromoor, so dass der Läufer sowohl eine Dreh- als auch eine lineare Bewegung, auch gleichzeiig, ausführen kann. Die Baumaße sind dabei erheblich kleiner als bei einer gerennen Realisierung beider Freiheisgrade miels je eines eigenen Akors. Zudem kann durch die inegriere Wegmessung der Linearbewegung wieder ein Messsysem enfallen, was zusäzlich Raum und Kosen spar. Wenn auch die Moorkräfe im Vergleich zu einem reinen Linear- oder roaorischen Anrieb bei gleicher Baugröße deulich geringer ausfallen, können dami zahlreiche Anwendungsgebiee erschlossen werden, zum Beispiel Pick&Place-Aufgaben, Roboer-, Handling- oder Monageechnik. 4 Ergebnisse und Ausblick Bild 19: Messsysemauflösung; homopolarer Anrieb allerdings bei anderen Mooreigenschafen zu Einbußen führen, so zum Beispiel bei der Lineariä der Kraf-Weg-Kennlinie. Bild 20 zeig einen so opimieren einsrängigen Miniaurmoor mi den Maßen 40 mm 8,5 mm 11 mm und 5 mm Hub. Die Wegerfassung wird durch hochpermeables Kernmaerial, die Anordnung der Magnee sowie Spulen großer Indukiviä erleicher. Bild 20: Für die inegriere Wegmessung opimierer Miniaurmoor, Baulänge 40mm Die Praxisauglichkei wurde inzwischen durch mehrere Applikaionen und Prooypen bewiesen. Gegensand akueller Enwicklungsarbei is die Ausweiung der Messmehode auf möglichs kosengünsige Lineardirekanriebe, andere elekrodynamische Lineardirekanriebe wie zum Beispiel Asynchronmooren sowie eine Seigerung der Messgenauigkei.

9 5 Lieraur [1] Dr. E. Seingroever, Dr. G. Roos: Magneisieren, Enmagneisieren und Kalibrieren von Permanen - Magnesysemen, Magne-Physik GmbH Köln, [2] Harramph, R.; Schinköhe, W.; Welk, Ch.: Elekrodynamische Lineardirekanriebe mi inegrierem Wegmeßsysem. 41. Inernaionales Wissenschafliches Kolloquium der TU Ilmenau 1999, Ilmenau , Reihe 6 Mecharonik, Tagungsband S [3] Harramph, R.: Inegriere Wegmessung in feinwerkechnischen elekrodynamischen Lineardirekanrieben. Eingereiche Disseraion, Universiä Sugar, IKFF, [4] Schinköhe, W.; Voss, M.; Irion, K.: Endoskop. Paenanmeldung, OS DE [5] Schinköhe, W.; Voss, M.; Harramph, R.: Gleichsromlinearmoor mi inegrierem Wegmeßsysem. Gebrauchsmuser DE , 25. [6] Harramph, R.; Schinköhe, W.: Elekromagneisches Anriebssysem mi inegrierer Wegsignalerzeugung. Paenanmeldung, OS A1. [7] Harramph, R.; Schinköhe, W.: Elecromagneic drive sysem wih inegraed pah signal generaion. US-Paen US , [8] Schinköhe, W.; Welk, C.: Verfahren zur inegrieren Wegsignalerzeugung in Asynchronlinearmooren. Paenanmeldung, Akenzeichen , [9] Schinköhe, W.; Welk, C.: Verfahren zur inegrieren Wegsignalerzeugung in Indukionsmooren nach Elihu Thomson. Paenanmeldung, Akenzeichen ,

10 Neue Telefon- und Telefaxnummer: Telefon: +49 (0) Telefax: +49 (0) Neue -Adressen:

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