AMO Automatisierung. Längenmesssysteme nach dem AMOSIN-Messprinzip

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1 AMO Automatisierung Messtechnik Optik GmbH Längenmesssysteme nach dem AMOSIN-Messprinzip Juni 00

2 AMOSIN-Allgemeines Basierend auf der bewährten AMO-Technologie der Längen- und Winkelerfassung, wo eine hochgenaue Teilung mit, in Stahl fotolithografisch geätzten Strukturen abgetastet wird, wurde durch neu entwickelte induktive Sensoren und integrier ter Auswerteelektronik (ASIC) eine zukunftsweisende Generation von Messsystemen geschaffen. Diese neue Generation eröffnet große Anwendungsbereiche von anspruchvollsten Werkzeug- oder Messmaschinen bis zu Handling- Systemen oder Sonderanlagen für Metallbearbeitung oder Elektronikindustrie. Die AMOSIN-Systeme werden als Längenmesssystem in offener LMI-100 oder geführt-gekapselter Variante LMI-00 und LMI-300 ausgeführt. Die AMOSIN-Systeme, als rein induktiv arbeitende Geräte, erreichen Genauigkeiten bis +/-5µm/m, ist aber dennoch extrem robust gegenüber Umwelteinflüssen wie Festpartikel, Öl u.s.w. und weisen eine extrem hohe Schock- und Vibrationsfestigkeit auf. Der Ausdehnungskoeffizient der Maßverkörperung ist identisch mit dem von Stahl (~ 11 ppm), sodass keine kostspieligen Temperatur- Ausgleichsvorrichtungen notwendig sind. Die Montage, speziell der geführt-gekapselten Systeme LMI-00/300, er weisen sich als äußerst einfach und zeitsparend, durch die großzügigen Montagetoleranzen. Die hohe Genauigkeit ist hauptsächlich auf das Herstellverfahren des stabilen Stahl-Maßstabes und auf das ausgezeichnete Sensorsignal mit Sinusgenauigkeits-Abweichungen von < 0,1 % (Oberwellenanteil als Maß der erreichbaren Interpolationsgenauigkeit innerhalb einer Teilungsperiode) zurückzuführen. Wie aus dem nachfolgend beschriebenem Messprinzip hervorgeht, besteht das Messsystem aus keinen magnetischen Teilen (weder Maßverkörperung noch Abtastkopf) und ist dadurch völlig unempfindlich gegen jede Art von elektromagnetischen Stör feldern, im Gegensatz zu magnetischen Messsystemen. Die Systeme liefern in Echtzeit entweder 1 Vss Sinus/Cosinus-Signale mit Signalperioden derzeit von 1000 µm oder Rechteck-Signale nach RS-4. Eigenschaften Unempfindlich gegen jede Art von Verschmutzung Unempfindlich gegen Magnetstörfelder Hohe Genauigkeit und Auflösung Hohe Verfahrgeschwindigkeit Einfache Montage Integrierter Referenzimpuls, auch abstandskodier t Anwendungen Werkzeugmaschinen Blechbearbeitungsmaschinen Direktantriebe Bestückungsautomaten Messmaschinen Druckmaschinen usw. PRIMÄRWICKLUNGEN AMOSIN - Messprinzip Die AMOSIN-Messsysteme funktionieren nach dem Prinzip des Transformators mit beweglichem Reluktanzkern. Die Gegeninduktivität der Primärund Sekundärwicklung eines Transformators ändert sich in Abhängigkeit der Lage des Kernes. SIN COS SIN COS SEKUNDÄRWICKLUNGEN SENSOR SUBSTRAT MICRO SPULENSTRUKTUR Das AMOSIN-System besteht grundsätzlich (Fig.1) aus einer planaren Spulenstruktur und einer Maßverkörperung. Die Spulenstruktur mit mehreren, in Messrichtung gestreckten Wicklungselementen (einzelne Hauptelemente mit Primärund Sekundär-SIN/COS-Spulen), wird auf einem Substrat in Mikro-Multilayer-Technik realisiert. Die Maßverkörperung ist ein Edelstahlband mit einer hochgenauen fotolithografisch geätzten, periodischen Teilung (= 1mm) von variabler Reluktanz. MASSVERKÖRPERUNG AMOSIN FUNKTIONSPRINZIP (Fig. 1)

3 Die relative Bewegung in Messrichtung zwischen Sensorstruktur (im Abtastkopf) und Maßverkörperung änder t periodisch die Gegeninduktivität der einzelnen Spulen und erzeugt zwei sinusförmige 90 -phasenverschobene Signale (SIN u. COS). Die ausgezeichnete Signalgüte und Stabilität gegen Umwelteinflüsse führt dazu, dass nach der Signalkonditionier ung in der Auswerteelektronik (Fig.) Abweichungen von nur 0,1% der Ideal-Sinusform (Oberwellenanteil) bleiben. Dies ermöglicht hohe Interpolationsfaktoren (Unter teilungsstufen) in der Signaldigitalisierung, entweder im Messsystem oder in der Nachfolgeelektronik (CNC, u.s.w.). Die Auswerteelektronik konditionier t die Sensorsignale, die nach einem neuartigen Schaltungsprinzip diese kontinuierlich ohne Strobe-Zeiten interpoliert und am Ausgang über differentielle Schnittstellen und Leitungstreiber die Messinformation, entweder als sinusförmige Signale oder als Rechtecksignale liefert. Außer einigen Treibern und passiven Komponenten wird die gesamte Auswertung von einem einzigen ASIC (Application Specific Integrated Circuit) realisiert. AMOSIN MESSSYSTEM (Fig. ) Schematischer Messsystemaufbau GEKAPSELTE LÄNGENMESSSYSTEME GEFÜHRT Die Edelstahlmaßverkörperung ist bei den geführt - gekapselten Systemen LMI-00/300 fest mit der Führungsschiene verschweißt. Beim offenen System LMI-100 wird werkseitig eine doppelseitige Klebefolie zum direkten Aufkleben auf das Maschinenbett aufgebracht. Zum Schutz vor mechanischer Beschädigung werden alle Systeme mit einer Stahlfolie abgedeckt. Die Abtastung erfolgt bei allen Varianten weiterhin berührungslos und somit verschleißfrei. 3

4 Messgenauigkeit Die gesamte Messungenauigkeit eines Messsystems kann durch folgende Messabweichungen verursacht werden: 1 Abweichungen der Teilung von der Absolutreferenzlänge in der Maßverkörperung (Genauigkeit der Teilung) Abweichungen innerhalb der Teilungsperiode bestimmt durch die Signalgüte und interner Auswerteelektronik (Interpolationsfehler) Da die Messsysteme vom Typ AMOSIN modular aufgebaut und die Maßverkörperungen sowie Messschlitten der gleichen Ausführung austauschbar sind, kann die Systemgenauigkeit den zwei Gerätekomponenten zugeordnet werden: 1 Die Genauigkeit der Maßverkörperung (Messführung oder Messband) wird mittels eines Laser Inter ferometers geprüft. Ein Messprotokoll kann auf Wunsch, mitgeliefer t werden. Die Genauigkeit der Messschlitten wird für jede Einheit geprüft, sodass diese innerhalb einer Abweichung von bis zu ± 1µm liegt (entspricht 0,1% der Teilungsperiode). Diese Genauigkeitsprüfungen erfolgen unter ideal angebauten Systemkomponenten und metrologischen Bedingungen. Spezifisch für jede Anwendung muß die Anbaulage des Messsystems gegenüber Anlagenarbeitsbereich (so nahe wie möglich) und die Montagetoleranzen (vor allem bei den offenen Systemen) in Verbindung mit den Genauigkeitsanforderungen festgelegt werden. Eine zusätzliche Fehlerquelle in der gesamt Anlagengenauigkeit bei dem Einsatz von Systemen mit Sinussignalausgang 1 Vss, könnte auch die Messsignalauswertung in der Folgeelektronik sein. Die Abweichungen dieser Auswer tung, die Einfluß auf die Lagebestimmung innerhalb einer Teilungsperiode hat, sollen idealerweise auch den Bereich von < ± 0,1% nicht überschreiten. Allgemein: Für hoch genaue Anwendungen können die systematischen Abweichungen von der Absolutlage, verursacht durch die Summe der Anlagenkomponenten (inklusive Messsystem) durch eine, in den meisten Steuerungen integrierten Funktion, im Vergleich zu einem Messnormal (eventuell Laserinterferometer, Endmaßen, u.s.w.) vermessen und korrigiert werden. BESCHREIBUNG DER REFERENZMARKEN Für die Bestimmung der absoluten Position in Messrichtung zwischen Abtastkopf und Maßstab ( Maschinenschlitten und Maschinenbett ) wird auf der Maßverkörperung, parallel zur Messspur eine zweite Referenzspur integriert. Diese Referenzspur besteht aus einer oder mehreren Referenzmarken, die durch die im Abtastkopf befindliche Sensorik abgetastet wird. Die Referenzmarken können in folgenden Ausführungen angeordnet werden: 1) Einzel - Referenzmarken: Sie können auf einem Maßband beliebig positioniert werden (im Abstand n x 1mm, Mindestabstand mm) Standardmäßig wird die Referenzmarke einmal in der Mitte der Messstrecke angebracht ) Abstandskodierte Referenzmarken: Durch die kodierte Anordnung auf dem Maßstab kann die Steuerung, sofern diese Funktion vorhanden ist, nach dem Überfahren von zwei benachbar ten Marken die Absolutposition feststellen. Das LMI-System wird für alle Ausführungen (Rechteck- oder Sinusausgangssignale) mit kodierten Referenzmarken in folgenden Abständen angeboten: K 1 Period. Abstand K (mm) 40 Max. Länge (mm) L K K Beispiel für die Anordnung der Referenzmarken: 0 K RI RI RI RI RI RI K K K K = = K L 1 = x (K-) K K=Periodischer Abstand 0 4

5 BESCHREIBUNG DER AUSGANGSSIGNALE 1Vss Empfohlene Schaltung der Nachfolgeelektronik: Signaldiagramm 90 < <70 BESCHREIBUNG DER AUSGANGSSIGNALE TTL - RS4 Allgemeine Schnittstellenbeschreibung RS 4 nach Norm DIN Teil 3 Empfohlene Schaltung der Nachfolgeelektronik: Signaldiagramm 5

6 Technische Daten LMI-100 Offenes Miniaturmesssystem Verschleißfrei Robust Beliebige Messlänge bis 30 m Maßband LMB-100 Teilungsperiode: 1 mm Linearitätsabweichung: LMB = ±0 µm LMB = ±10 µm LMB-100. = ± 05 µm Ausdehnungskoeffizient: ~11 ppm Messlänge: beliebig, maximal 30 m Mechanische Ausführung: Edelstahl-Maßband mit Klebeschicht für die Montage Referenzlage: Standard mittig, beliebige Lage und Anzahl oder abstandskodiert Abtastkopf LMK-100 nur in Verbindung mit externer Signalkonditionierungselektronik SKE (siehe Seite 1) Arbeitstemperatur: Lagertemperatur: Schockfestigkeit (11 ms): Vibrationsfestigkeit ( Hz): Schutzklasse: Versorgung: Kabel: Option: 0 bis 50 C (höhere Temperatur auf Anfrage) -0 bis 85 C < 000 m/s² < 00 m/s² IP 67 für Elektronik 5 V ± 5% am Gerät, 50 ma Pur Mantel, hochflexibel, ~ 5 mm, 5 ( x 0,05) + 1 ( x 0,14) mm² 1 m / 3 m zur SKE (maximale Kabellänge) - Biegeradius 10 x d = 50 mm Dauerbiegung 05 x d = 5 mm Einmalbiegung Endschalterfunktion 6

7 Abmessungen Erdungsfläche 7

8 Technische Daten LMI-00 Geführt-gekapseltes Miniaturmesssystem Robuste Ausführung Hohe Genauigkeit Einfache, kostensparende Montage Große Anbautoleranzen Edelstahlausführung Messführung LMF-00 Teilungsperiode: 1 mm Genauigkeit der Teilung: LMF = ±0 µm LMF = ±10 µm LMF-100. = ± 05 µm Ausdehnungskoeffizient: ~11 ppm Messlängen in mm - einteilig: 170 / 0 / 70 / 30 / 40 / 50 / 60 / 70 / 80 / 90 / 100 Größere Längen auf Anfrage Referenzlage: Standard mittig, beliebige Lage und Anzahl oder abstandskodiert Messwagen LMK-00 nur in Verbindung mit externer Signalkonditionierungselektronik SKE (siehe Seite 1) Verfahrgeschwindigkeit: Arbeitstemperatur: Lagertemperatur: Schockfestigkeit (11 ms): Vibrationsfestigkeit ( Hz): Schutzklasse: Versorgung: Kabel: Option: 3 m/s (mechanisch) 0 bis 50 C (höhere Temperatur auf Anfrage) -0 bis 85 C < 000 m/s² < 00 m/s² IP 67 für Elektronik 5 V ± 5% am Gerät, 350 ma max. Pur Mantel, hochflexibel, ~ 5 mm, 5 ( x 0,05) + 1 ( x 0,14) mm² 1 m / 3 m zur SKE - Biegeradius 10 x d = 50 mm Dauerbiegung 05 x d = 5 mm Einmalbiegung Endschalterfunktion 8

9 Abmessungen 9

10 Technische Daten LMI-300 Geführt-gekapseltes Messsystem Extrem robuste Ausführung Beliebig lange Messlängen realisierbar Hohe Genauigkeit Einfache, kostensparende Montage Große Anbautoleranzen Messführung LMF-300 Teilungsperiode: 1 mm Genauigkeit der Teilung: LMF = ±0 µm LMF = ±10 µm LMF-300. = ± 05 µm Ausdehnungskoeffizient: ~11 ppm Messlängen in mm - einteilig: 170 / 0 / 70 / 30 / 40 / 50 / 60 / 70 / 80 / 90 / 100 / 1140 / 140 / 1340 / 1440 / 1540 / 1640 / 1740 / 1840 / 040 / 40 / 440 / 640 / 840 / 3040 / 340 / 3440 / 3640 / 3840 Beliebige Messlänge in mehrteiliger Ausführ ung Referenzlage: Standard mittig, beliebige Lage und Anzahl oder abstandskodiert Option Korrosionsschutz (ZnFe-Beschichtung) Messwagen LMK-301 Ausgangssignal: 1 Vss/1000 µm an Anschlusswiderstand 10 Ω (siehe Schaltung und Signaldiagramm) Verfahrgeschwindigkeit: 5 m/s Arbeitstemperatur: 0 bis 50 C (höhere Temperatur auf Anfrage) Lagertemperatur: -0 bis 85 C Schockfestigkeit (11 ms): < 000 m/s² Vibrationsfestigkeit ( Hz): < 00 m/s² Schutzklasse: IP 67 für Elektronik Versorgung: 5 V ± 5% am Gerät, 50 ma Kabel: Pur Mantel, hochflexibel, ~ 5 mm, 5 ( x 0,05) + 1 ( x 0,14) mm² 1 m / 3 m, max. 100 m (mit AMO-Verlängerungskabel) - Biegeradius 10 x d = 50 mm Dauerbiegung 05 x d = 5 mm Einmalbiegung Option: Endschalterfunktion Korrosionsschutz (ZnFe-Beschichtung) Messwagen LMK-30, wie LMK-301 jedoch Ausgangssignal: Verfahrgeschwindigkeit: Versorgung: Kabel: TTL nach RS 4 A (siehe Schaltung und Signaldiagramm) LMK (Auflösung 10 µm): 5 m/s LMK (Auflösung 05 µm): 5 m/s LMK-30. (Auflösung 1000/104 µm): 1 m/s LMK (Auflösung 1000/4096 µm): 0,5 m/s 5 V ± 5% am Gerät, max. 350 ma max. 50 m (mit AMO-Verlängerungskabel) 10

11 Abmessungen 11

12 Technische Daten SKE SKE - 1 SKE - Signalkonditionierung SKE- 1 (Für Messsystem LMI-100 und LMI-00) Ausgangssignal: 1 Vss/1000 µm an Anschlusswiderstand 10 Ω (siehe Schaltung und Signaldiagramm) Verfahrgeschwindigkeit: 10 m/s (max. Eingangsfrequenz 10 KHz) Arbeitstemperatur: 0 bis 50 C Lagertemperatur: -0 bis 85 C Schutzklasse: SKE-11-0 IP 54 SKE-1-0 IP 66 Versorgung 5 V ± 5% am Gerät, 50 ma inkl. Messwagen Anschluss: SKE pol. Sub-D SKE pol. Connei Signalkonditionierung SKE- wie SKE- 1, außer Ausgangssignal: TTL nach RS 4 A (siehe Schaltung und Signaldiagramm) Verfahrgeschwindigkeit: SKE- -0 (Auflösung 10 µm) 10 m/s SKE- -1 (Auflösung 05 µm) 10 m/s SKE- - (Auflösung 1000/104 µm) 0 m/s SKE- -3 (Auflösung 1000/4096 µm) 0,5 m/s Versorgung 5 V ± 5% am Gerät, max. 350 ma inkl. Messwagen 1

13 VERLÄNGERUNGSKABEL Messsystem Buchse Kabellänge Stift Bestellbezeichnung: VK Kupplung pol. DIN pol. Sub-D (standard) pol. Connei-Stecker CW pol. Sub-D pol. Connei-Kupplung CCW Sonderstecker oder Sonderbelegung Kabellänge in Meter 0 Stecker pol. DIN pol. Sub-D pol. Connei-Stecker CW pol. Sub-D pol. Connei-Kupplung CCW Sonderstecker oder Sonderbelegung STECKER- UND ANSCHLUSSBELEGUNGEN 39, SUB-D Stecker 15-polig Sinus- 1 Vss oder Rechteck-Ausgangssignale TTL PIN Signal Farbbelegung Schirm am Gehäuse A+ 0V B+ +5V LR RI- LL A- 0V-Sensor grün blau braun rot schwarz grau violett gelb blau-weiss B- weiss 5V-Sensor rot-weiss RI+ rosa CONNEI-Typ Stecker bzw. Kupplung 1-polig - Metallkörper kunststoffummantelt Sinus- 1 Vss oder Rechteck-Ausgangssignale TTL 51 Stiftseite 53 Stiftseite Stecker 6 M 3x1 5, Kupplung PIN 1 Signal B- Farbbelegung weiss Schirm am Gehäuse V-Sensor RI+ RI- A+ A- LL B+ LR 0V 0V-Sensor +5V rot-weiss rosa grau grün gelb violett braun schwarz blau blau-weiss rot Die Sensorleitungen 0V-Sensor und 5V-Sensor sind intern mit den entsprechenden Versorgungsleitungen verbunden. Diese dienen zur Überprüfung bzw. Nachregelung der Spannung am Gerät und können auch parallel zu den Versorgungsleitungen 0V und 5V verwendet werden, um somit den Spannungsabfall der Leitung zu verringern. DIN Stecker 1-polig L10 Sinus- 1 Vss oder Rechteck-Ausgangssignale TTL PIN Signal A B C D E F G H J K L M 0V A+ A- B+ RI+ RI- +5V B- Farbbelegung blau grün gelb braun rosa grau rot weiss Stiftseite A K B J L C M H D E G F Schirm am Gehäuse SUB-D Stecker 9-polig Sinus- 1 Vss oder Rechteck-Ausgangssignale TTL 30,8 PIN Signal A- 0V B- RI- A+ +5V B+ RI+ Farbbelegung gelb blau weiss grau grün rot braun rosa Schirm am Gehäuse

14 Bestellbezeichnung LMI-100 Bestellbezeichnung LMI-00 Bestehend aus: 1. Maßband LMB-100. Abtastkopf LMK Signalkonditionierung SKE Bestehend aus: 1. Messführung LMF-00. Abtastkopf LMK Signalkonditionierung SKE 1. Bestellbezeichnung Maßband LMB Bestellbezeichnung Messführung LMF-00 LMB LMF Linearitätsabweichung 0... ±0 µm/m 1... ±10 µm/m... ± 05 µm/m Bandlänge in mm Genauigkeit 0... ±0 µm/m 1... ±10 µm/m... ± 05 µm/m Messlänge in mm (siehe techn. Daten) RI-Lage mm von links... mittig mm von rechts mm von links mm von rechts mm von beiden Seiten mm von beiden Seiten 8... alle 100 mm 9... Sonder-RI K1... abstandskodiert (Basisabstand 40 mm) K... abstandskodiert (Basisabstand 80 mm) K3... abstandskodiert (Basisabstand 10 mm). Bestellbezeichnung Abtastkopf LMK-100 RI-Lage mm von links... mittig mm von rechts mm von links mm von rechts mm von beiden Seiten mm von beiden Seiten 8... alle 100 mm 9... Sonder-RI K1... abstandskodiert (Basisabstand 40 mm) K... abstandskodiert (Basisabstand 80 mm) K3... abstandskodiert (Basisabstand 10 mm). Bestellbezeichnung Messwagen LMK-00 LMK LMK Endlage 1... mit Kabellänge in m zur SKE m... m m (max.) Endlage 1... mit Kabellänge in m zur SKE m... m m (max) Stecker pol. Sub-D Stecker für SKE pol. Connei Stecker für SKE Stecker pol. Sub-D Stecker für SKE pol. Connei Stecker für SKE 3. Bestellbezeichnung Signalkonditionierung SKE für 1 Vss-Ausgangssignale: SKE für RS-4 (TTL)-Ausgangssignale: SKE - - Schutzart 1... IP 54 (15 pol. Sub-D)... IP 66 (1 pol. Connei) Signalperioden µm andere Signalperioden in Vorbereitung Schutzart 1... IP 54 (15 pol. Sub-D)... IP 66 (1 pol. Connei) Auflösung nach 4-fach Flankenauswertung µm... ~1 µm µm 3... ~0,5 µm 14

15 Bestellbezeichnung LMI-300 Bestehend aus: 1. Messführung LMF-300. Messwagen LMK-301 oder LMK Bestellbezeichnung Messführung LMF-300 LMF-300. Beschichtung 1... mit ZnFe-Beschichtung Genauigkeit 0... ±0 µm/m 1... ±10 µm/m... ± 05 µm/m - - Messlänge in mm (Siehe technische Daten) RI-Lage mm von links... mittig mm von rechts mm von links mm von rechts mm von beiden Seiten mm von beiden Seiten 8... alle 100 mm 9... Sonder-RI K1... abstandskodiert (Basisabstand 40 mm) K... abstandskodiert (Basisabstand 80 mm) K3... abstandskodiert (Basisabstand 10 mm). Messwagen - LMK-30.1 Messwagen mit Ausgangssignal 1 Vss - LMK-301 LMK Beschichtung 1... mit ZnFe-Beschichtung Signalperioden µm andere Signalperioden in Vorbereitung Endlage 1... mit Kabellänge in Meter Stecker pol. DIN-Stecker... 9 pol. Connei Stecker pol. Sub-D Stecker pol. Connei Stecker pol. Sub-D Stecker pol. Connei Kupplung Stift 9... Sonderstecker oder Sonderbelegung. Messwagen mit Ausgangssignal TTL (RS 4) - LMK-30 LMK Beschichtung 1... mit ZnFe-Beschichtung Auflösung nach 4-fach Flankenauswertung µm µm... ~1 µm 3... ~0,5 µm Kabellänge in Meter Endlage 1... mit Stecker pol. DIN-Stecker... 9 pol. Connei Stecker pol. Sub-D Stecker pol. Connei Stecker pol. Sub-D Stecker pol. Connei Kupplung Stift 9... Sonderstecker oder Sonderbelegung 15